Bay­reu­ther Physiker*innen ent­schlüs­seln Bewe­gungs­mu­ster ein­zelli­ger Mikroben

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Mikro­or­ga­nis­men auf Entdeckungsreise

Vie­le Mikro­ben haben in ihrer natür­li­chen Umge­bung nur eine sehr stark ein­ge­schränk­te Bewe­gungs­frei­heit. Wie in einem Irr­gar­ten sind ihnen gerad­li­ni­ge Fort­be­we­gun­gen in Böden oder auch im mensch­li­chen Kör­per ver­sperrt. Daher müs­sen sie hier durch kur­ven- und kan­ten­rei­che Struk­tu­ren navi­gie­ren. Dabei kön­nen hoch­gra­dig gerich­te­te Bewe­gungs­mu­ster ent­ste­hen, wie Physiker*innen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und der Lough­bo­rough Uni­ver­si­ty in Groß­bri­tan­ni­en jetzt her­aus­ge­fun­den haben. In der Zeit­schrift PNAS stel­len sie ihre Erkennt­nis­se vor, die für die Steue­rung von Mikro­ro­bo­tern oder den ziel­ge­nau­en Trans­port medi­zi­ni­scher Wirk­stof­fe genutzt wer­den könnten.

Visualisierung der Bewegungsmuster einer Mikrobe in einer Kammer. Die Studie zeigt, dass die Bewegungspfade der Mikrobe direkt von der Krümmung der Kammerwände abhängen. Image credits: Esinam S. A. Dake, Jan Cammann, Marco G. Mazza

Visua­li­sie­rung der Bewe­gungs­mu­ster einer Mikro­be in einer Kam­mer. Die Stu­die zeigt, dass die Bewe­gungs­pfa­de der Mikro­be direkt von der Krüm­mung der Kam­mer­wän­de abhän­gen. Image credits: Esi­nam S. A. Dake, Jan Cam­mann, Mar­co G. Mazza

Die neue Stu­die zeigt: Die Bewe­gun­gen ein­zelli­ger Lebe­we­sen sind kei­nes­wegs immer so zufäl­lig und wenig ziel­ge­rich­tet, wie es scheint, wenn man sie unter dem Mikro­skop betrach­tet. „Eine gro­ße Zahl von Mikro­or­ga­nis­men lebt in porö­sen Umge­bun­gen, zum Bei­spiel in durch­näss­ten Zwi­schen­räu­men in Böden. Hier gestal­tet sich die Suche nach Nähr­stof­fen, die sie zum Über­le­ben und für ihre Fort­pflan­zung benö­ti­gen, als schwie­rig. In den eng ver­schach­tel­ten räum­li­chen Struk­tu­ren ihrer Umge­bung sto­ßen sie immer wie­der an Wän­de, von denen sie abpral­len. Daher haben wir über­legt, wel­che Stra­te­gien ein­zelli­ge Mikro­or­ga­nis­men ver­fol­gen, um sol­che kom­ple­xen Umge­bun­gen zu erkun­den und auch durch Eng­päs­se ihren Weg zu fin­den“, sagt Prof. Dr. Oli­ver Bäum­chen, der mit sei­ner Bay­reu­ther Arbeits­grup­pe aus expe­ri­men­tal­phy­si­ka­li­scher Sicht an die­se Fra­ge her­an­ge­gan­gen ist. Eine Arbeits­grup­pe um Prof. Dr. Mar­co Maz­za in Lough­bo­rough hat sich par­al­lel dazu mit der Anwen­dung von Ver­fah­ren aus der Theo­re­ti­schen Phy­sik befasst.

Den Wissenschaftler*innen gelang es, Struk­tu­ren der natür­li­chen Umge­bun­gen von Mikro­ben im Labor nach­zu­bau­en. Sie stell­ten Kam­mern mit genau defi­nier­ten For­men her und schaff­ten es, in jeder die­ser Kam­mern genau eine Mikro­be ein­zu­sper­ren. Dabei ver­wen­de­ten sie Mikro­ben der Spe­zi­es Chla­my­do­mo­nas rein­hard­tii, die sowohl in den Lebens­wis­sen­schaf­ten als auch in der Phy­sik oft als Modell­orga­nis­mus ver­wen­det wird. „Wir beob­ach­te­ten, wie sich die Mikro­ben durch syn­chro­ne Schwimm­be­we­gun­gen zwei­er Flim­mer­här­chen in der Flüs­sig­keit fort­be­we­gen, und ana­ly­sier­ten die Pfa­de mit Metho­den der sta­ti­sti­schen Phy­sik“, erör­tert Prof. Bäum­chen. Das bri­ti­sche Team erstell­te pass­ge­naue phy­si­ka­li­sche Model­le und führ­te Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen sowie ana­ly­ti­sche Berech­nun­gen durch. „Als wir die Viel­zahl expe­ri­men­tel­ler Daten ana­ly­sier­ten und mit den Simu­la­tio­nen ver­gli­chen, ent­deck­ten wir erstaun­lich kla­re Struk­tu­ren, die nahe­zu per­fekt mit unse­ren Berech­nun­gen über­ein­stimm­ten“, erklärt Prof. Mazza.

Prof. Dr. Oliver Bäumchen, Universität Bayreuth. Foto: UBT / J. Rennecke.

Prof. Dr. Oli­ver Bäum­chen, Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Foto: UBT / J. Rennecke.

Die Physiker*innen änder­ten nun gezielt die geo­me­tri­schen For­men der Kam­mern, in denen sich die Mikro­ben befan­den. Die räum­li­chen Struk­tu­ren reich­ten dabei von ein­fa­chen ellip­ti­schen For­men bis zu kom­pli­zier­ten, blu­men­ar­ti­gen Kam­mern. „Es zeig­te sich ein kla­rer und grund­le­gen­der Zusam­men­hang zwi­schen den Bewe­gungs­mu­stern der Mikro­ben und den geo­me­tri­schen Struk­tu­ren ihrer Umge­bung“, sagt Jan Cam­mann, Erst­au­tor der Stu­die und Dok­to­rand in Lough­bo­rough. „Je stär­ker die Krüm­mun­gen der Wän­de vari­ier­ten, desto prä­gnan­ter wur­den die gerich­te­ten Bewe­gungs­mu­ster“, ergänzt Dr. Fabi­an Schwar­zen­dahl, der eben­falls an der Stu­die betei­ligt war und mitt­ler­wei­le an der Uni­ver­si­tät Düs­sel­dorf forscht.

Die expe­ri­men­tell-theo­re­ti­sche Zusam­men­ar­beit der bei­den Phy­si­ker­teams begann wäh­rend ihrer Zeit am Göt­tin­ger Max-Planck-Insti­tut für Dyna­mik und Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on. „Gemein­sam wol­len wir in Zukunft unter­su­chen, wie nicht nur ein­zel­ne Zel­len, son­dern gan­ze Popu­la­tio­nen von Mikro­or­ga­nis­men kom­ple­xe Umge­bun­gen erkun­den – bei­spiels­wei­se um Nähr­stoff­quel­len auf­zu­spü­ren. Es ist unge­mein span­nend, sol­che leben­den Syste­me mit dem Blick des Phy­si­kers zu betrach­ten und dabei auch die spe­zi­el­le Funk­ti­on phy­si­ka­li­scher Phä­no­me­ne, wie etwa die Schwimm­be­we­gun­gen oder auch ihre Haf­tung an Ober­flä­chen, zu unter­su­chen. Unse­re jetzt ver­öf­fent­lich­te Stu­die zeigt erneut, dass nicht nur bio­lo­gi­sche Pro­zes­se, son­dern auch phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten mit evo­lu­tio­nä­ren Vor­tei­len ver­bun­den sein kön­nen. Die­se Zusam­men­hän­ge wol­len wir wei­ter ver­tie­fen“, erklärt Prof. Bäumchen.

Sein bri­ti­scher Kol­le­ge Prof. Maz­za ergänzt: „Die von uns ent­deck­ten Bewe­gungs­mu­ster sowie das Zusam­men­spiel von geo­me­tri­scher Struk­tur und gerich­te­ter mikro­biel­ler Bewe­gung sind mög­li­cher­wei­se auch für die ange­wand­te For­schung wert­voll. Sie könn­ten bei­spiels­wei­se genutzt wer­den, um natür­li­che Mikro­or­ga­nis­men oder künst­li­che Mikro­ro­bo­ter in die jeweils gewünsch­ten Rich­tun­gen zu len­ken oder um phar­ma­zeu­ti­sche Wirk­stof­fe an ihren Ziel­ort zu bringen.“

Ver­öf­fent­li­chung:

J. Cam­mann, F. Schwar­zen­dahl, T. Ostapen­ko, D. Lav­ren­to­vich, O. Bäum­chen, and M. Maz­za: Emer­gent Pro­ba­bi­li­ty Flu­xes in Con­fi­ned Micro­bi­al Navi­ga­ti­on, PNAS – Pro­ce­e­dings of the Natio­nal Aca­de­my of Sci­en­ces of the USA 118, e2024752118 (2021). DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​7​3​/​p​n​a​s​.​2​0​2​4​7​5​2​118

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