Beweeglijke bacteriën als E. coli of Bacillus subtilis vertonen gevarieerd collectief bewegingsgedrag, van afzonderlijk zwemmen tot samen rondtrekken als kuddes. Wanneer een groot aantal bacteriën samenkomt, kunnen ze vastlopen en een biofilm vormen; een laag micro-organismen die zich vasthecht aan oppervlakken en daarmee moeilijk te verwijderen is. Dat kan nadelig zijn, bijvoorbeeld wanneer deze vliesjes in waterleidingen of om medische implantaten heen groeien. Voor het vinden van een oplossing is het noodzakelijk om te weten welke eigenschappen van bacteriën sturend zijn in het samenkomen tot een biofilm.

Vanwege de vele biologische processen die bacteriën uitvoeren – het reageren op chemische signalen, het waarnemen van de omgeving, etc. – is het lastig te zien wat hun collectief gedrag stuurt. Om de biologische complexiteit te omzeilen, ontwierp het team van natuurkundige Hanumantha Rao Vutukuri van de Universiteit Twente synthetische lichtgedreven staafjes die louter voortbewegen. Dat biedt zicht op de fysische wetmatigheden die het gedrag van de synthetische bacteriën sturen, waarbij ze vooral keken naar de vorm en de grootte van de staafjes. Vutukuri: ‘Als we leren begrijpen hoe rondzwermende bacteriën een biofilm vormen, kunnen we gaan nadenken over hoe dit te voorkomen is.’

Stuwende staafjes

Om bacteriën als E. coli zo goed mogelijk na te bootsen, ontwierpen het team colloïde staafjes met soortgelijke dimensies. Daarbij creëerden ze verschillende staafjes met een variërende lengte. Vutukuri: ‘Onze staafjes zijn wel honderd keer dunner dan een menselijke haar. Het lijken net lucifers, met aan één kant een “motor” die de kracht uitoefent om ze voort te stuwen.’

Die motor maakt gebruik van chemische gradiënten. De staafjes, bestaande uit een kop van titaandioxide (TiO₂) en een staart van siliciumdioxide (SiO₂), zinken door hun gewicht naar de bodem van de observatiekamer, waar ze rondzwermen door Brownse beweging. Door vervolgens groen licht op ze te schijnen, induceerden de onderzoekers een redoxreactie tussen de brandstofelementen, hydrochinon en benzochinon, aan de kop. ‘Deze reactie wekt lokale chemische gradiënten op, die de staafjes langs de lange as voortstuwen in de richting van de kop.’ 

Sweet spot

Om het bewegende gedrag van de staafjes uit te leggen, haalt Vutukuri het beeld van een volgepropte snelweg aan. ‘Afhankelijk van de grootte van auto’s kan hun samenkomst in het verkeer leiden tot file. Soortgelijk bepaalt de omvang van bacteriën hoe goed ze langs elkaar bewegen.’

De onderzoekers begonnen hun studie met de hypothese dat beweeglijke bacteriën zoals E. coli door evolutie een grootte hebben gekregen waarmee ze zich in de bacteriële drukte optimaal kunnen verplaatsen. ‘We vermoeden dat ze qua grootte een sweet spot hebben gevonden om collectief te bewegen.’

Met hun staafjes wisten de onderzoekers deze hypothese nauwkeurig te toetsen. Ze zagen dat korte staafjes samenklonterden, terwijl lange staafjes in formatie rondzwermden. En inderdaad, hier tussenin ontdekten de onderzoekers iets opmerkelijk. Staafjes met een gemiddelde verhouding tussen lengte en breedte vertoonden actieve turbulentie: een voortdurende, dynamische en collectieve beweeglijkheid. E. coli vertoont eenzelfde gedrag, wat mogelijk bijdraagt aan het vormen van biofilms.

Ook voerden de onderzoekers simulaties uit met staafjes in droge condities. In dit geval trad geen actieve turbulentie op. ‘Een van onze belangrijke conclusies was dat hydrodynamische interacties een zeer centrale rol spelen in dit gedrag.’ 

Duwen en trekken

Als volgende stap wil Vutukuri de experimenten nu letterlijk uitbouwen naar de derde dimensie, met behulp van een recent ontvangen ERC Consolidator Grant. ‘Onze staafjes zwemmen in twee dimensies, maar we leven natuurlijk in een driedimensionale wereld. Daarom willen we materialen gaan creëren waarin de bewegende staafjes in drie dimensies kunnen bewegen.’

Daarnaast gaan de onderzoekers de invloed van de bewegingsrichting van de staafjes bestuderen. ‘Onze huidige staafjes zijn pushers; ze duwen vooruit en verstoren daarmee de stromingsvelden om hen heen, waardoor de effectieve viscositeit verlaagt. Maar je hebt ook bacteriën die juist terugtrekken. Als volgende stap willen we daarom synthetische pullers maken, en kijken hoe dit het collectieve bewegingsgedrag beïnvloedt.’

Y. Shelke, A. Nair, H.R. Vutukuri, Shape anisotropy governs organization of active rods: Swarming, turbulence, flocking and jamming, Science (2026), doi:10.1126/science.ady7618