I batteri che vivono nelle foreste noti per formare sciami viscidi che predano altri microbi possono anche cooperare per costruire rifugi di sopravvivenza simili a funghi noti come corpi fruttiferi quando il cibo scarseggia. Ora un team della Princeton University ha scoperto la fisica dietro a come questi batteri a forma di bastoncino, che si allineano secondo schemi come quelli delle spirali delle impronte digitali e dei display a cristalli liquidi, costruire gli strati di questi corpi fruttiferi. Lo studio è stato pubblicato su Fisica della natura .

"In alcuni modi, questi batteri ci stanno insegnando nuovi tipi di fisica, " disse Joshua Shaevitz, professore di fisica e il Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. "Queste domande esistono all'intersezione tra fisica e biologia. E devi capirle entrambe per capire questi organismi".

Mixococcus xanthus, o Myxo in breve, è una specie batterica capace di comportamenti sorprendentemente cooperativi. Per esempio, un gran numero di cellule Myxo si uniscono per cacciare altri batteri sciamando verso la loro preda in un'unica massa ondulata.

Quando il cibo scarseggia, però, le cellule simili a bastoncini si impilano l'una sull'altra per formare escrescenze morbide chiamate corpi fruttiferi, che sono nascondigli in cui alcune delle cellule Myxo si trasformano in spore in grado di riavviare la popolazione quando arrivano nuovi nutrienti. Ma fino ad ora, gli scienziati non hanno capito come le aste acquisiscano la capacità di iniziare ad arrampicarsi l'una sull'altra per costruire strutture simili a gocce.

Per saperne di più su come si comportano questi batteri, i ricercatori hanno allestito un microscopio in grado di tracciare le azioni di Myxo in tre dimensioni. Gli scienziati hanno registrato video dei microbi a forma di bastoncino, che si ammassano insieme come gnu in fuga, sfrecciando sul piatto del microscopio in andane che turbinano l'una intorno all'altra, formare modelli simili a impronte digitali.

Quando due andane si incontrano, i ricercatori hanno osservato, il punto di intersezione era esattamente il punto in cui iniziava a formarsi il nuovo strato di cellule. I batteri hanno iniziato ad accumularsi e hanno creato una situazione in cui l'unica direzione da seguire era verso l'alto.

"Abbiamo scoperto che questi batteri stanno sfruttando particolari punti dell'allineamento cellulare in cui si accumulano gli stress che consentono alla colonia di costruire nuovi strati cellulari, uno sopra l'altro, "ha detto Ricard Alert, un ricercatore post-dottorato presso il Princeton Center for Theoretical Science e uno dei co-primi autori dello studio. "E alla fine è così che questa colonia risponde alla fame".

I ricercatori chiamano i punti in cui le celle di massa si scontrano "difetti topologici, " un termine che si riferisce alla matematica che descrive questi punti singolari. La topologia è la branca della matematica che trova somiglianze tra oggetti come tazze da tè e ciambelle, perché uno può essere allungato o deformato nell'altro.

"Chiamiamo questi punti topologici perché se si vuole eliminare uno solo di questi difetti, non puoi farlo con una trasformazione graduale, non puoi semplicemente perturbare l'allineamento delle celle per sbarazzarti di quel punto in cui l'allineamento è perso, " Alert ha detto. "La topologia riguarda ciò che puoi e non puoi fare tramite trasformazioni graduali in matematica".

Le cellule batteriche Myxo si comportano in modo molto simile ai cristalli liquidi, i liquidi che si trovano negli schermi degli smartphone, che sono costituiti da molecole a forma di bastoncino. A differenza dei cristalli liquidi passivi, però, Le canne Myxo sono vive e possono gattonare. I batteri molto probabilmente si sono evoluti per sfruttare i fattori sia passivi che attivi per costruire i corpi fruttiferi, hanno detto i ricercatori.

Caterina Copenaghen, ricercatore associato presso il Lewis-Sigler Institute, e co-primo autore dello studio, ha preso video delle cellule al microscopio e ha analizzato i risultati. Ha detto che all'inizio la squadra non era sicura di cosa stesse guardando.

"Stavamo cercando di studiare la formazione di strati nei batteri per scoprire come queste cellule costruiscono queste goccioline, e avevamo appena ricevuto un nuovo microscopio, quindi ho messo al microscopio un campione dei batteri di un altro progetto che non aveva nulla a che fare con la formazione di strati e l'ho ripreso per alcune ore, " Copenhagen ha detto. "La prossima volta che il nostro gruppo si è riunito, Ho detto 'ho questo video, quindi diamo un'occhiata a questo.' E siamo rimasti ipnotizzati da quello che abbiamo visto".

La combinazione di formazione in fisica e biologia tra i ricercatori ha permesso loro di riconoscere nuove intuizioni teoriche su come si formano gli strati verticali. "Dice qualcosa sul valore della cultura collaborativa a Princeton, " disse Ned Wingreen, l'Howard A. Prior Professor in Scienze della Vita, professore di biologia molecolare e il Lewis-Sigler Institute. "Noi chattiamo tra di noi e condividiamo idee folli e ci mostriamo dati interessanti l'un l'altro".

"Un momento che ricordo abbastanza vividamente, "Allarme ha detto, "sta guardando questi video all'inizio di questo progetto e iniziando a realizzare, aspettare, gli strati si formano esattamente dove si trovano i difetti topologici? Potrebbe essere vero?" Per esplorare i risultati, ha seguito gli studi confermandoli con calcoli numerici e analitici.

"La realizzazione iniziale che è arrivata solo guardando questi film, è stato un bel momento, " Egli ha detto.