Può essere osservato ogni volta che fai la doccia:piccole gocce d'acqua si uniscono per formare gocce sempre più grandi, finché non sono così pesanti da cadere lungo il muro. Gli scienziati chiamano questo fenomeno della vita quotidiana coalescenza, che sorprendentemente fornisce anche la chiave per capire come i batteri formano le colonie. Ricercatori della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), il Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) di Erlangen e il Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems di Dresda (MPI-PKS) sono ora riusciti a sviluppare un modello statistico per descrivere la formazione, dinamica e meccanica di tali complessi di celle. Hanno pubblicato i loro risultati sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .

Quando i batteri conquistano nuovi territori, uno dei loro primi compiti è quello di unirsi e formare colonie microscopiche. All'interno di queste comunità, i microrganismi sono meglio protetti contro le forze, antibiotici e altre influenze negative rispetto ai singoli individui, e quindi più pericolose per l'uomo e altri organismi. Questo vale anche per i gonococchi (Neisseria gonorrhoeae), che formano ammassi di cellule sferiche sulla pelle umana (muco) in poche ore, costituito da diverse migliaia di organismi unicellulari. Queste strutture sono le vere unità patogene, la causa della seconda malattia a trasmissione sessuale più comune al mondo, gonorrea.

Come molti altri batteri, N. gonorrhoeae ha lunghi, mobile, estensioni filiformi. Usano questi pili per aggrapparsi alle superfici e muoversi. Le appendici interagiscono anche tra loro e si collegano attivamente tra loro per formare colonie. Visto al microscopio, questo processo assomiglia alla coalescenza delle goccioline d'acqua.

Le estensioni cellulari determinano in modo significativo le proprietà delle colonie batteriche

In un progetto congiunto guidato dal postdoc Dr. Hui-Shun Kuan (FAU), ex dottorato di ricerca studente Wolfram Pönisch (ora postdoc presso l'Università di Cambridge), Professor Frank Jülicher (MPI-PKS) e Professor Vasily Zaburdaev, titolare della Cattedra di Matematica nelle Scienze della Vita presso FAU e membro del Comitato Scientifico del MPZPM, hanno sviluppato una teoria per descrivere questi processi utilizzando metodi della fisica statistica. Come punto di partenza del loro modello, usano le forze esercitate tra i batteri attraverso i pili. In questo modo, riuscirono a ricostruire matematicamente lo sviluppo delle colonie. Il processo è analogo alla condensazione di un liquido o alla separazione di due fasi, come acqua e olio. Quando il numero di microbi per unità di superficie supera un certo limite, si uniscono spontaneamente e formano una densa goccia circondata solo da poche singole cellule.

Queste goccioline cellulari sono viscoelastiche:reagiscono elasticamente alla rapida deformazione e si muovono come un fluido viscoso per periodi di tempo più lunghi. Il rispettivo comportamento che mostrano dipende dal fatto che la rete di pili intrecciati abbia abbastanza tempo per riorganizzarsi. Il modello dei ricercatori mostra il ruolo centrale che queste proiezioni filiformi svolgono nella formazione delle colonie e come determinano le loro proprietà meccaniche.

I risultati possono essere generalizzati e utilizzati anche per descrivere la meccanica e la dinamica di complessi cellulari densi come tumori solidi o tessuti. La teoria può quindi aiutare i medici a identificare potenziali bersagli per rallentare o addirittura arrestare la formazione di colonie batteriche o tumori con nuovi principi attivi.