Ze zijn maar één cel groot en niet bepaald de slimste jongens van de klas, maar toch bewegen eencelligen zich op een vernuftige manier voort.

Onderzoekers uit Twente en Göttingen wilden meer te weten komen over de manier waarop bacteriën en andere eencelligen zich voortbewegen en actief door hun omgeving navigeren.

Een aantal van deze bewegingsmechanismen blijken verrassend geavanceerd. Wie weet, kunnen we nog wat leren van deze minuscule wezentjes en nieuwe medische toepassingen ontwikkelen op basis van hun bewegingspatronen.

Interactie met omgeving
Biologische organismen zijn continu bezig om hun omgeving af te tasten. Het is voor hen van levensbelang om te reageren op wat er om hen heen gebeurt. Mensen en dieren maken gebruik van een complex zenuwstelsel om omgevingsprikkels op te pikken en te verwerken. Zo kunnen bewuste beslissingen worden genomen.

Eencelligen missen die capaciteit en hebben dus andere strategieën moeten ontwikkelen om te kunnen interacteren met de buitenwereld. Zo bewegen parasieten en bacteriën zich meestal door nauwe kanalen, zoals kleine bloedvaten. Vaak volgen ze een specifiek oscillerend patroon: ze trillen van A naar B door de vloeistof heen en gebruiken de wand van het haarvaatje bij het voortbewegen.

Tegen de stroom in
“We hebben een theoretisch model gemaakt waarin de specifieke dynamiek van de microzwemmers is beschreven. Deze dynamiek hangt af van de grootte van de eencellige en hoe zijn wisselwerking met de binnenwand van het kanaal eruit ziet. Dit theoretische model werd bevestigd door de uitkomsten van onze experimenten”, vertelt Corinna Maass, teamleider aan het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) in Göttingen en professor aan de Universiteit van Twente.

Deze terugkerende bewegingspatronen kunnen in de toekomst mogelijk ook worden ingezet bij de toediening van medicijnen. Het doel is om medicijnen op een bepaalde plek in het lichaam af te leveren, zelfs als dat betekent dat de medicatie tegen de stroom in moet zwemmen.

Actieve microzwemmers kunnen clusters vormen die spontaan beginnen te draaien en opstijgen als microscopisch kleine helikopters. Bron: MPI-DS / Maass

Actieve microzwemmers kunnen clusters vormen die spontaan beginnen te draaien en opstijgen als microscopisch kleine helikopters. Bron: MPI-DS / Maass

Oliespoor
In een andere studie werden de microzwemmers bespied, terwijl ze gezamenlijk op reis waren. Het bleek dat ze elkaar daarbij beïnvloedden. Om dit te testen werd een experimenteel model opgezet, waarbij kleine oliedruppeltjes in een zeepachtige oplossing afzonderlijk van elkaar bewegen.

De oliedruppeltjes laten daarbij een klein spoor van olie achter, net als een vliegtuig een spoor achterlaat. Dit oliespoor stoot andere druppeltjes af. Op deze manier kunnen de microzwemmers aanvoelen of andere zwemmers net langs zijn gekomen.

“Hier treedt een interessant verschijnsel op: individuele microzwemmers maken een wegtrekkende beweging, terwijl een groep druppeltjes vast komt te zitten in de sporen van de voorgangers”, legt hoofdonderzoeker Babak Vajdi Hokmabad uit. Het afstotende effect van de tweede druppel die langskomt, hangt af van de hoek waarop hij hem raakt en hoeveel tijd er is verstreken sinds de eerste zwemmer. Deze experimentele data bevestigen het theoretische werk dat eerder al is verzet op dit gebied door Ramin Golestanian van het MPI-DS.

Microhovercrafts en helikopters
Als laatste keek het onderzoeksteam naar de manier waarop een groep eencelligen in staat is om samen te werken. Meerdere microdruppels kunnen onder bepaalde omstandigheden clusters gaan vormen, die spontaan gaan drijven zoals een hovercraft, of gaan draaien zoals microscopisch kleine helikopters.

Het roteren van een cluster wordt mogelijk gemaakt door de koppeling van losse druppeltjes. De microzwemmers vormen een systeem en bewegen door de vloeistof door een vrij complexe samenwerking aan te gaan.

De microzwemmers kunnen dus op verschillende manieren gecontroleerd van A naar B navigeren: ze kunnen in hun eentje met een trillende beweging door heel nauwe bloedvaten bewegen. Ze kunnen de sporen van andere microzwemmers gebruiken als navigatie, maar ook samenwerken en als een helikopter opereren. En dat allemaal zonder hersenen of spieren.