Synthetische bacteriën: van zwermen naar levensecht materiaal

vrijdag 10 april 2026

Geïnspireerd door het rijke bewegingsgedrag van bacteriën als E. coli en Bacillus subtilis, stelden onderzoekers van de Universiteit Twente een eenvoudige maar fundamentele vraag: wat gebeurt er als je kunstmatige zwemmers staafvormig maakt in plaats van bolvormig, en hoe bepaalt die vorm hoe ze samen bewegen? “Deze domme maar actieve staafjes volgen alleen de wetten van de natuurkunde, waardoor ze een krachtig model zijn om de mechanica achter collectief bacteriegedrag te ontrafelen”, zegt Hanumantha Rao Vutukuri. Hun bevindingen staan op de cover van Science.

Biofilms zijn gemeenschappen van micro-organismen die zich vasthechten aan oppervlakken en nauwelijks te verwijderen zijn. Ze groeien op medische implantaten en in waterleidingen, en zijn bijzonder moeilijk te bestrijden als ze eenmaal zijn gevormd. Wie begrijpt hoe bacteriën zich collectief organiseren, kan leren hoe je dat proces kunt verstoren. Die kennis kan ziekenhuisinfecties verminderen en de veiligheid van drinkwatersystemen verbeteren.

De uitdaging van het bestuderen van bacteriën

Bacteriën zijn meer dan hun vorm. Ze nemen hun omgeving waar, reageren op chemische signalen en passen hun gedrag voortdurend aan. Door al die biologische processen is het moeilijk te achterhalen welke rol de vorm speelt in hoe ze bewegen. Bovendien is het lastig om individuele cellen te volgen in een dichte kolonie zonder hun gedrag te beïnvloeden.

Om dit te omzeilen, gebruikte het team van Vutukuri synthetische staafjes. “Deze staafjes zijn dommer dan bacteriën”, zegt Vutukuri. “Ze voelen geen voedsel, reageren nergens op. Het is pure natuurkunde.” Juist die eenvoud is de kracht: zonder biologische processen konden de onderzoekers de rol van vorm rechtstreeks bestuderen.

De sweet spot

Met lichtgestuurde synthetische staafjes varieerde het team de lengte en dichtheid van de deeltjes en keek hoe hun gezamenlijke gedrag veranderde. De resultaten laten een duidelijk patroon zien. Korte staafjes klonteren samen en scheiden zich af. Zeer lange staafjes zwermen en bewegen in formatie. Maar staafjes met een gemiddelde verhouding tussen lengte en breedte doen iets rijkers: ze produceren actieve turbulentie, een toestand van voortdurende, dynamische beweging in groepsverband.

Die bevinding wijst op een evolutionaire logica. Bewegende bacteriën hebben mogelijk door evolutie de ideale vorm gevonden: een sweet spot waarbij zowel collectieve beweeglijkheid als aanpassingsvermogen optimaal zijn. E. coli zit precies in die zone. Bacillus subtilis, die veel langer kan worden, vertoont datzelfde turbulente bewegingsgedrag niet en is mogelijk minder effectief in het doordringen van dichte omgevingen zoals biofilms.

Niet-evenwichtsfysica

Naast de biologische relevantie biedt het onderzoek een algemeen kader voor het begrijpen van collectieve beweging in actieve materialen waarbij de vorm bepalend is. Het opent ook de weg naar betere theoretische modellen en simulaties, en biedt ontwerpregels voor programmeerbare actieve materialen.

Over de onderzoekers

Hanumantha Rao Vutukuri leidt de Active Soft Matter Group aan de Faculteit Technische Natuurwetenschappen, MESA+ en het BRAINS Institute van de Universiteit Twente. Het onderzoek werd uitgevoerd door Yogesh Shelke, Anpuj Nair S en Vutukuri, met steun van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Europese Onderzoeksraad, die Vutukuri een Consolidator Grant (nr. 101171050-SynthAct3D) toekende. Het artikel ‘Shape Anisotropy Governs Organization of Active Rods: Swarming, Turbulence, Flocking, and Jamming’ verscheen op 9 april 2026 in Science.

DOI: 10.1126/science.ady7618