As bactérias que vivem na floresta, conhecidas por formarem enxames viscosos que atacam outros micróbios, também podem cooperar para construir abrigos de sobrevivência semelhantes a cogumelos, conhecidos como corpos de frutificação, quando o alimento é escasso. Agora, uma equipe da Universidade de Princeton descobriu a física por trás de como essas bactérias em forma de bastão, que se alinham em padrões como aqueles em espirais de impressão digital e telas de cristal líquido, construir as camadas desses corpos frutíferos. O estudo foi publicado em Física da Natureza .

"Em algumas formas, essas bactérias estão nos ensinando novos tipos de física, "disse Joshua Shaevitz, professor de física e do Instituto Lewis-Sigler de Genômica Integrativa. "Essas questões existem na interseção da física e da biologia. E você precisa entender as duas para entender esses organismos."

Myxococcus xanthus, ou Myxo para abreviar, é uma espécie bacteriana capaz de comportamentos surpreendentemente cooperativos. Por exemplo, um grande número de células Myxo se reúnem para caçar outras bactérias, enxameando em direção a suas presas em uma única massa ondulante.

Quando a comida é escassa, Contudo, as células em forma de bastão empilham-se umas sobre as outras para formar crescimentos moles chamados corpos frutíferos, que são esconderijos nos quais algumas das células Myxo se transformam em esporos capazes de reiniciar a população quando novos nutrientes chegam. Mas até agora, os cientistas não entenderam como as hastes adquirem a capacidade de começar a escalar umas sobre as outras para construir as estruturas em forma de gotículas.

Para saber mais sobre como essas bactérias se comportam, os pesquisadores montaram um microscópio capaz de rastrear as ações de Myxo em três dimensões. Os cientistas gravaram vídeos dos micróbios em forma de bastão, que se agrupam como gnus em disparada, correndo pela placa do microscópio em faixas que giram em torno umas das outras, formando padrões semelhantes a impressões digitais.

Quando duas faixas se encontram, os pesquisadores observaram, o ponto de intersecção era exatamente onde a nova camada de células começou a se formar. As bactérias começaram a se acumular e criar uma situação em que a única direção a seguir era para cima.

"Descobrimos que essas bactérias estão explorando pontos específicos do alinhamento celular onde se acumulam tensões que permitem à colônia construir novas camadas de células, um em cima do outro, "disse Ricard Alert, um pesquisador de pós-doutorado no Princeton Center for Theoretical Science e um dos co-autores do estudo. "E é assim que essa colônia responde à fome."

Os pesquisadores chamam os pontos onde as células em massa colidem de "defeitos topológicos, "um termo que se refere à matemática que descreve esses pontos singulares. Topologia é o ramo da matemática que encontra semelhanças entre objetos como xícaras de chá e donuts, porque um pode ser esticado ou deformado no outro.

“Chamamos esses pontos de topológicos porque se você quiser se livrar de um único desses defeitos, você não pode fazer isso por uma transformação suave - você não pode apenas perturbar o alinhamento das células para se livrar daquele ponto onde o alinhamento é perdido, "Alerta disse." Topologia é sobre o que você pode e não pode fazer por meio de transformações suaves em matemática. "

As células bacterianas mixobacterianas se comportam de maneira muito semelhante aos cristais líquidos, os fluidos encontrados nas telas dos smartphones, que são feitos de moléculas em forma de bastão. Ao contrário dos cristais líquidos passivos, Contudo, As hastes Myxo estão vivas e podem rastejar. As bactérias provavelmente evoluíram para aproveitar os fatores passivos e ativos para construir os corpos de frutificação, disseram os pesquisadores.

Katherine Copenhagen, pesquisador associado do Instituto Lewis-Sigler, e co-primeiro autor do estudo, fez vídeos das células sob o microscópio e analisou os resultados. Ela disse que a princípio a equipe não tinha certeza do que estava olhando.

"Estávamos tentando estudar a formação de camadas em bactérias para descobrir como essas células constroem essas gotículas, e tínhamos acabado de obter um novo microscópio, então coloquei uma amostra da bactéria de outro projeto que não tinha nada a ver com a formação de camadas sob o microscópio e fiz imagens por algumas horas, "Copenhagen disse." Na próxima vez que nosso grupo se reuniu, Eu disse 'eu tenho este vídeo, então vamos dar uma olhada nisso. ' E ficamos hipnotizados com o que vimos. "

A combinação de treinamento em física e biologia entre os pesquisadores permitiu-lhes reconhecer novos insights teóricos sobre como as camadas verticais se formam. "Diz algo sobre o valor da cultura colaborativa em Princeton, "disse Ned Wingreen, o Howard A. Professor Prior em Ciências da Vida, professor de biologia molecular e do Instituto Lewis-Sigler. "Nós conversamos, compartilhamos ideias malucas e mostramos dados interessantes uns aos outros."

"Um momento de que me lembro bem vividamente, "Alerta disse, "está assistindo a esses vídeos logo no início deste projeto e começando a perceber, esperar, as camadas se formam exatamente onde estão os defeitos topológicos? Poderia ser verdade? "Para explorar os resultados, ele acompanhou os estudos, confirmando-os com cálculos numéricos e analíticos.

"A percepção inicial que veio apenas de assistir a esses filmes, aquele foi um momento legal, " ele disse.