Bajo amenaza de ser restregado con desinfectante, las bacterias individuales pueden mejorar sus probabilidades de supervivencia al unirse para formar colonias, llamados biopelículas. Lo que Arnold Mathijssen, becario postdoctoral en bioingeniería en la Universidad de Stanford, Quería entender cómo las biopelículas estacionarias encuentran alimento una vez que han devorado los nutrientes cercanos.

Liderando un equipo internacional de investigadores en la creación de simulaciones de cómo se mueven los fluidos, Mathijssen descubrió que las bacterias y las biopelículas individuales pueden generar corrientes lo suficientemente fuertes como para atraer nutrientes distantes.

En su trabajo, publicado el 11 de diciembre en Cartas de revisión física , los investigadores pudieron encontrar patrones predecibles de cómo se mueven los fluidos basándose en las formas generales de las biopelículas, conocimientos que podrían encontrar aplicaciones en muchos campos.

"Existe una universalidad muy fuerte en las propiedades físicas de la microhidrodinámica, "dijo Mathijssen, que trabaja en el laboratorio de Manu Prakash, profesor asociado de bioingeniería. "Hemos hablado de bacterias, pero podríamos reemplazar la palabra 'organismo' por 'micro-robot' y la física sería exactamente la misma".

Comenzando simple

Cuando las bacterias se mueven, perturban los líquidos que los rodean en el mundo microscópico. Los investigadores exploraron la fuerza de esa alteración en una sola bacteria que se mueve de una manera similar a muchas especies patógenas. incluidos los que causan gastritis y cólera. Descubrieron que a medida que esta bacteria avanza, crea una corriente pequeña pero estable en el líquido circundante con el fluido moviéndose hacia su centro y alejándose de la cabeza y la cola.

Luego, calcularon los flujos producidos por una colonia de bacterias dispuestas al azar y se sorprendieron al ver que creaba un fuerte, marea constante capaz de extraer nutrientes. Esto ocurrió independientemente de la orientación de cada bacteria siempre que la colonia fuera más gruesa en algunas áreas que en otras. lo que hace que el fluido se mueva de puntos altos a puntos bajos. Las simulaciones de bacterias más ordenadas dieron como resultado una circulación aún más fuerte.

Dentro de biopelículas organizadas, los investigadores encontraron dos patrones comunes de movimiento:vórtices y ásteres. En un patrón de vórtice, las bacterias se mueven en círculos concéntricos y producen un flujo que lleva los nutrientes al centro de la biopelícula y luego empuja el líquido hacia los lados. En un patrón de aster, las bacterias se mueven hacia un punto central, creando un flujo que se mueve desde el borde de la biopelícula hasta que vuelve a subir, sobre el centro.

"Lo poderoso de esto es que puedes sumar estos patrones, "Mathijssen dijo." En lugar de tener que conocer la posición y la orientación de cada bacteria, sólo necesita conocer los patrones básicos que componen la colonia y luego es muy fácil derivar el flujo de transporte general ".

Los investigadores pudieron combinar patrones de vórtice y aster dentro de una sola biopelícula para determinar cómo empujarían las bacterias, tire y haga girar los fluidos a su alrededor. Como prueba final, los investigadores tomaron cálculos que representan el complejo, movimiento realista del enjambre de bacterias, como lo harían en la superficie de una mesa, y predijo la fuerza del flujo de transporte de ese enjambre. El resultado fueron grandes vórtices que se extendieron más allá de los límites de la biopelícula, Adecuado para mantener alimentada a la colonia.

Viendo lo que está oculto

Este trabajo comenzó con una simple curiosidad por el flujo invisible de fluidos alrededor de las bacterias. Pero lo que descubrieron los investigadores podría ser bastante práctico:guiar formas de cortar la fuente de alimento de una biopelícula infecciosa, por ejemplo. Y lo que es más, porque solo tiene en cuenta las formas y el movimiento de una bacteria, la investigación también podría aplicarse a objetos inanimados como mecanismos de administración de drogas sintéticas o micro-robots.

"Esto comenzó como un problema relativamente fundamental, pero resultó ser más relevante para las aplicaciones biomédicas de lo que hubiéramos predicho, ", Dijo Mathijssen." Eso es lo que me emociona:acabamos de encontrarnos con una idea de que, por curiosidad, nos llevó en una dirección muy diferente a donde comenzamos y lo que encontramos tiene mucho potencial ".