Israëlische wetenschappers Weizmann Institute of Science: Bacteriële wervelingen inspireren nieuwe ideeën voor zwermrobotica en actieve materie

Foto Weizmann Institute of Science

In een baanbrekende studie die de brug slaat tussen natuurkunde en biologie , hebben onderzoekers het complexe collectieve gedrag blootgelegd van bacteriesoorten uit een unieke natuurlijke omgeving in Noord-Mexico. De ontdekking werpt niet alleen licht op de zelforganisatie van microben, maar kan ook bredere implicaties hebben voor het begrijpen van collectieve bewegingen in de natuur, van vogelzwermen tot robotsystemen, aldus Weizmann Institute of Science.

Het onderzoeksteam, onder leiding van professor Joel Stevens en dr. Rinat Arbel-Goren van het Weizmann Institute of Science, verzamelde microbiële monsters uit het Cuatro Ciénegas-bekken in Coahuila, Mexico, een woestijngebied met zeldzame microbiële ecosystemen waarvan men denkt dat ze lijken op de omgeving van de aarde zo'n 700 miljoen jaar geleden. "Dit gebied fascineert me al jaren", aldus prof. Stevens, natuurkundige gespecialiseerd in biologische systemen. "De extreme omstandigheden bieden een inkijkje in het gedrag van microben in de oudheid."

Terug in het laboratorium werkte het team samen met de Mexicaanse microbioloog Dr. Oscar Gayardo-Navarro om de bacteriën te kweken en te bestuderen. Tijdens zijn postdoctorale onderzoek deed Gayardo-Navarro een raadselachtige ontdekking: hoe grondig hij de bacterieculturen ook mengde, ze splitsten zich spontaan in ingewikkelde patronen onder de microscoop.

"Het was niet willekeurig", merkte hij op. "Elke soort leek een uniek patroon te 'tekenen' – sommige in zeshoeken, andere in spiralen of vloeiende structuren."

Alle yoghurt bevat levende bacteriën als onderdeel van het fermentatieproces. Foto Universiteit

Deze opvallende patronen, zo ontdekten de onderzoekers, zijn het resultaat van een fysisch proces dat bekendstaat als 'bioconvectie'. Bioconvectie is een verschijnsel uit de vloeistofdynamica dat optreedt wanneer grote aantallen zichzelf voortstuwende micro-organismen, zoals bacteriën of algen, zich in een vloeistof verplaatsen, meestal als reactie op omgevingsfactoren zoals zuurstof of licht.

"De bacteriën zwemmen omhoog naar het oppervlak op zoek naar zuurstof", legde Stevens uit. "Maar omdat ze een hogere dichtheid hebben dan water, trekt de zwaartekracht ze weer naar beneden, waardoor een soort convectiestroom ontstaat. Het is een dynamische lus, een constante druk en trek tussen de zwaartekracht en de behoefte van de bacteriën aan zuurstof."

Hoewel bioconvectie geen nieuw concept is, onthult de studie, onlangs gepubliceerd in het peer-reviewed wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, voor het eerst hoe verschillende bacteriesoorten uniek gevormde patronen genereren. "Tot nu toe onderzochten de meeste studies in laboratoria gekweekte stammen geïsoleerd", aldus Stevens. "Niemand keek echt naar hoe verschillende soorten uit één natuurlijke gemeenschap zich gedragen wanneer ze bij elkaar worden geplaatst."

Het team ging nog een stap verder door verschillende bacteriesoorten te mengen om te observeren hoe ze met elkaar zouden interacteren. Tot hun verbazing bleven de soorten binnen de gedeelde omgeving ruimtelijk gescheiden, zelfs nadat ze van tevoren grondig gemengd waren. "We labelden elke soort met een andere fluorescerende marker, in de verwachting dat er chaos zou ontstaan", herinnert Dr. Arbel-Goren zich. "In plaats daarvan zagen we oogverblindende caleidoscopische patronen ontstaan, waarbij elke soort zich aan zijn eigen ruimte hield, alsof dansers choreografeerden zonder ooit met elkaar te praten."

Deze scheiding, zo concludeerde het team, was niet het gevolg van biologische aantrekking of afstoting, noch van verschillen in celvorm. Het was eerder het gevolg van subtiele verschillen in zwemgedrag.

"Elke soort heeft zijn eigen ritme, zijn eigen gemiddelde snelheid en draaifrequentie", aldus Stevens. "En hoe groter het verschil in deze bewegingskenmerken, hoe duidelijker de ruimtelijke scheiding werd."

Wat misschien wel het meest opmerkelijk is, is de omvang van het fenomeen. "We hebben het over microscopische bewegingen, verschuivingen van ongeveer twee micrometer", benadrukte Stevens. "Toch manifesteren deze kleine verschillen zich in patronen die met het blote oog zichtbaar zijn, over duizend keer grotere afstanden."

De ontdekking heeft veelbelovende praktische toepassingen in vakgebieden variërend van microbiële engineering tot robotica. In de synthetische biologie en industriële microbiologie zou inzicht in hoe bacteriële gemeenschappen zichzelf organiseren, kunnen leiden tot efficiëntere bioreactoren en op maat gemaakte microbiële consortia voor fermentatie, afvalverwerking of biobrandstofproductie. Klinisch gezien zou het strategieën kunnen aandragen om schadelijke biofilms te verstoren of de ontwikkeling van gerichte medicijnafgiftesystemen te sturen die de bacteriële beweging door lichaamsvloeistoffen nabootsen.

Naast biologie bieden de bevindingen een model voor zwermrobotica, waarbij ingenieurs autonome agenten, zoals drones of onderwatervoertuigen, kunnen ontwerpen die zichzelf kunnen organiseren en zich kunnen aanpassen aan complexe omgevingen zonder centrale controle, vergelijkbaar met de bacteriën in het onderzoek.

"Deze resultaten laten zien dat de natuur manieren heeft om zichzelf te organiseren die we nog maar net beginnen te begrijpen", aldus Stevens. "En soms zijn er een woestijnmoeras en een microscoop nodig om ons te laten zien hoe prachtig de natuurkunde kan zijn."