Bayreuther Physiker*innen entschlüsseln Bewegungsmuster einzelliger Mikroben
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
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.
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/10.1073/pnas.2024752118
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