In stroperige substanties zwemt een bacterie niet langzamer, maar juist sneller. Een wiskundig model biedt nu een verklaring.
Hoe vaker een zwemmende bacterie tegen obstakels aan botst, hoe sneller hij zich verplaatst. Over die kwestie publiceerden Chinese onderzoekers in het wetenschappelijk blad Nature. Op het eerste gezicht druist dit tegen de intuïtie in, maar de onderzoekers bieden nu een verklaring aan de hand van een wiskundig model. Juist door de vele botsingen zwemt een bacterie in een rechtere lijn voorwaarts, stellen zij.
Al decennia buigen wetenschappers zich over de vraag hoe bacteriën zich verplaatsen door zogenoemde ‘complexe mengsels’. In zo’n mengsels zweven grote onoplosbare deeltjes, of zitten enorm lange moleculen opgelost – polymeren, zoals eiwitten of DNA. Naarmate vloeistoffen voller zitten met zulke deeltjes, gaan ze zich steeds meer gedragen als ‘niet-Newtoniaanse vloeistoffen’. Dat zijn stroperige goedjes die eigenschappen vertonen van iets tussen een vloeistof en een vaste stof in. Voorbeelden zijn tandpasta, drijfzand en bloed.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Dat bacteriën juist sneller door complexe mengsels zwemmen was al bekend sinds 1960, maar een overtuigende verklaring voor dit gedrag bleef nog altijd uit. Mensen verplaatsen zich met moeite door drijfzand; waarom zwemmen bacteriën dan juist sneller in bloed dan in water?
Oud vraagstuk
‘Er bestaan drie theorieën die verklaren waarom bacteriën sneller zwemmen in oplossingen met polymeren’, zegt Xiang Cheng, natuurkundige en auteur van de studie. ‘Eerst suggereerden wetenschappers dat de polymeren een netwerk vormen dat bacteriën sneller door zich heen leidt. Andere wetenschappers stelden dat snelle rotatiebewegingen van een zwemmende bacterie de stroperigheid van een polymerenoplossing vermindert.’ En recent stelden sommigen dat polymeren rondom de bacterie uitrekken, en zo de bacterie met elastische kracht vooruitduwen.
Cheng toont nu met zijn collega’s aan dat geen van die verklaringen de juiste is. Ze maten de zwemsnelheid van bacteriën in een oplossing met alleen polymeren, en in een oplossing met alleen grote onoplosbare deeltjes – zogenoemde colloïden. ‘Onze resultaten laten zien dat bacteriën even snel zwemmen door oplossingen van polymeren als door colloïden. Dat kunnen de vorige theorieën niet verklaren’, zegt Cheng. Die gaan er namelijk van uit dat polymeren een rol spelen om de bacteriën sneller te laten zwemmen.
Nieuwe verklaring
Vervolgens bootsten de onderzoekers de zwembeweging van bacteriën na in wiskundige modellen. Zo vonden ze een nieuwe verklaring. Bacteriën zwemmen dankzij hun flagellum – een ronddraaiende zweepstaart in de vorm van een kurkentrekker – die de bacterie als een propeller vooruitduwt. De zweepstaart is echter zwak, en maakt daardoor foutjes tijdens het zwemmen. Daardoor slingert een zwemmende bacterie. Maar in complexe mengsels is er simpelweg te weinig ruimte om naar zijkanten uit te wijken, laat het model zien. Botsingen met grote moleculen dwingen een bacterie op het juiste pad.
De studie is van ‘zeer hoge kwaliteit’, en de ‘resultaten hebben brede implicaties’, zegt Tom Shimuzu, biofysicus aan het Nederlandse onderzoeksinstituut AMOLF. ‘Hoe bacteriën zwemmen heeft een grote invloed op allerlei zaken, van de menselijke gezondheid tot aan het evenwicht tussen soorten in het milieu.’
