Sotto la minaccia di essere lavato via con un disinfettante, i singoli batteri possono migliorare le loro probabilità di sopravvivenza unendosi insieme per formare colonie, chiamati biofilm. Che Arnold Mathijssen, borsista post-dottorato in bioingegneria presso la Stanford University, voleva capire era come i biofilm stazionari trovano il cibo una volta che hanno divorato i nutrienti vicini.

Alla guida di un team internazionale di ricercatori nella creazione di simulazioni di come si muovono i fluidi, Mathijssen ha scoperto che i singoli batteri e biofilm possono generare correnti abbastanza forti da assorbire nutrienti a distanza.

Nel loro lavoro, pubblicato l'11 dicembre in Lettere di revisione fisica , i ricercatori sono stati in grado di trovare modelli prevedibili di come i fluidi si muovono in base alle forme generali dei biofilm, intuizioni che potrebbero trovare applicazioni in molti campi.

"C'è un'universalità molto forte nelle proprietà fisiche della micro-idrodinamica, " ha detto Mathijssen, che lavora nel laboratorio di Manu Prakash, professore associato di bioingegneria. "Abbiamo parlato di batteri, ma potremmo sostituire la parola "organismo" con "micro-robot" e la fisica sarebbe esattamente la stessa".

Iniziare in modo semplice

Quando i batteri si muovono, disturbano i liquidi che li circondano nel mondo microscopico. I ricercatori hanno esplorato la forza di quel disturbo in un singolo batterio che si muove in modo simile a molte specie patogene, compresi quelli che causano gastrite e colera. Hanno scoperto che mentre questo batterio nuota in avanti, crea una corrente minuscola ma stabile nel liquido circostante con il fluido che si muove verso il suo centro e lontano dalla testa e dalla coda.

Quindi, hanno calcolato i flussi prodotti da una colonia di batteri disposti casualmente e sono rimasti sorpresi nel vedere che ha creato un forte, marea consistente in grado di attirare sostanze nutritive. Ciò si è verificato indipendentemente dall'orientamento di ciascun batterio purché la colonia fosse più spessa in alcune aree rispetto ad altre, che fa sì che il fluido si muova da punti alti a punti bassi. Le simulazioni di batteri più ordinati hanno portato a una circolazione ancora più forte.

All'interno di biofilm organizzati, i ricercatori hanno trovato due modelli comuni di movimento:vortici e astri. In uno schema a vortice, i batteri si muovono in cerchi concentrici e producono un flusso che porta i nutrienti al centro del biofilm e poi spinge il fluido fuori dai lati. In un modello di aster, i batteri si muovono verso un punto centrale, creando un flusso che si sposta dal bordo del biofilm fino a risalire, sopra il centro.

"La cosa potente di questo è che puoi aggiungere questi modelli, " Ha detto Mathijssen. "Piuttosto che dover conoscere la posizione e l'orientamento di ogni singolo batterio, hai solo bisogno di conoscere i modelli di base che compongono la colonia e quindi è molto facile ricavare il flusso di trasporto complessivo."

I ricercatori sono stati in grado di combinare modelli di vortice e aster all'interno di un singolo biofilm per determinare come i batteri si sarebbero spinti, tirare e far girare i fluidi intorno a loro. Come prova finale, i ricercatori hanno eseguito calcoli che rappresentano il complesso, movimento realistico dei batteri che sciamano – come potrebbero sulla superficie di un tavolo – e ha previsto la forza del flusso di trasporto di quello sciame. Il risultato sono stati grandi vortici che hanno attraversato distanze oltre i confini del biofilm, adatto a mantenere nutrita la colonia.

Vedendo cosa è nascosto

Questo lavoro è iniziato con una semplice curiosità sul flusso invisibile di fluidi attorno ai batteri. Ma ciò che i ricercatori hanno scoperto potrebbe essere abbastanza pratico:guidare i modi per tagliare la fonte di cibo di un biofilm infettivo, Per esempio. Cosa c'è di più, perché tiene conto solo delle forme e del movimento di un batterio, la ricerca potrebbe applicarsi anche a oggetti inanimati come meccanismi di somministrazione di farmaci sintetici o micro-robot.

"Questo è iniziato come un problema relativamente fondamentale, ma si è rivelato più rilevante per le applicazioni biomediche di quanto avremmo previsto, " Ha detto Mathijssen. "Questo è ciò che mi entusiasma:ci siamo appena imbattuti in un'idea che, per curiosità, ci ha portato in una direzione molto diversa da quella da cui siamo partiti e quello che abbiamo scoperto ha un grande potenziale".