Se puede observar cada vez que se ducha:pequeñas gotas de agua se unen para formar gotas cada vez más grandes, hasta que son tan pesadas que corren por la pared. Los científicos llaman a este fenómeno de la vida diaria coalescencia, que sorprendentemente también proporciona la clave para comprender cómo las bacterias forman colonias. Investigadores de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) en Erlangen y el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresde (MPI-PKS) ahora han logrado desarrollar un modelo estadístico para describir la formación, dinámica y mecánica de tales conjuntos de células. Han publicado sus resultados en la prestigiosa revista Cartas de revisión física .

Cuando las bacterias conquistan nuevos territorios, una de sus primeras tareas es unirse y formar colonias microscópicas. Dentro de estas comunidades, los microorganismos están mejor protegidos contra fuerzas, antibióticos y otras influencias negativas que los individuos individuales y, por lo tanto, más peligrosas para los seres humanos y otros organismos. Esto también se aplica a los gonococos (Neisseria gonorrhoeae), que forman grupos de células esféricas en la piel humana (moco) en cuestión de horas, que consta de varios miles de organismos unicelulares. Estas estructuras son las unidades patógenas reales, la causa de la segunda enfermedad de transmisión sexual más común del mundo, gonorrea.

Como muchas otras bacterias, N. gonorrhoeae tiene mucho tiempo, móvil, extensiones en forma de hilo. Usan estos pili para adherirse a superficies y moverse. Los apéndices también interactúan entre sí y se unen activamente para formar colonias. Visto bajo el microscopio este proceso se asemeja a la coalescencia de las gotas de agua.

Las extensiones celulares determinan significativamente las propiedades de las colonias bacterianas.

En un proyecto conjunto dirigido por el postdoctorado Dr. Hui-Shun Kuan (FAU), ex Ph.D. estudiante Wolfram Pönisch (ahora postdoctorado en la Universidad de Cambridge), Profesor Frank Jülicher (MPI-PKS) y Profesor Vasily Zaburdaev, titular de la Cátedra de Matemáticas en Ciencias de la Vida de la FAU y miembro del Consejo Científico del MPZPM, han desarrollado una teoría para describir estos procesos utilizando métodos de la física estadística. Como punto de partida de su modelo, utilizan las fuerzas ejercidas entre las bacterias a través de los pili. De este modo, lograron reconstruir matemáticamente el desarrollo de las colonias. El proceso es análogo a la condensación de un líquido o la separación de dos fases, como agua y aceite. Cuando el número de microbios por unidad de área excede un cierto límite, se unen espontáneamente y forman una gota densa rodeada por unas pocas células individuales.

Estas gotitas de células son viscoelásticas:reaccionan elásticamente a una deformación rápida y se mueven como un fluido viscoso durante períodos de tiempo más prolongados. El comportamiento respectivo que exhiben depende de si la red de pili entrelazados tiene tiempo suficiente para reorganizarse. El modelo de los investigadores muestra el papel central que juegan estas proyecciones en forma de hilo en la formación de colonias y cómo determinan sus propiedades mecánicas.

Los hallazgos pueden generalizarse y también utilizarse para describir la mecánica y la dinámica de conjuntos de células densas, como tumores sólidos o tejidos. Por tanto, la teoría puede ayudar a los médicos a identificar objetivos potenciales para ralentizar o incluso detener la formación de colonias bacterianas o tumores con nuevas sustancias activas.