25.02.2020 - Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Bakterien machen Loopings

Forschungsteam analysiert Fortbewegung durch Geißeln

Das magnetotaktische Bakterium Magnetococcus marinus schwimmt mit Hilfe von zwei Bündeln von Geißeln. Außerdem besitzen die Bakterienzellen eine Art intrazelluläre Kompassnadel und können daher mit einem Magnetfeld gesteuert werden. Sie werden deshalb als biologisches Modell für Mikroroboter benutzt. Ein internationales Team des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, der Universität Göttingen und der CEA Cadarache (Frankreich) hat nun aufgeklärt, wie sich diese Bakterien bewegen und deren Schwimmgeschwindigkeit bestimmt.

Die Forscher nutzten eine Kombination von neuen experimentellen Methoden und Computersimulationen: Sie verfolgten die Bewegung der „Mikroschwimmer“ mit Hilfe von dreidimensionaler Mikroskopie und analysierten sie mit einer sehr hochfrequenten Dunkelfeld-Bildgebung. Klaas Bente, Erstautor (ehemals Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung) und jetzt Mitarbeiter an der Bundesanstalt für Materialforschung BAM erklärt: „Aus mikrobiologischer Sicht helfen die verschiedenen Studien Einblicke in die Bedürfnisse der Zellen zu erhalten, die sich gepaart mit derart extremen Antriebsformen entwickelt haben. Nanotechnologisch können Anforderungen an einen schnellen Schwimm-Antrieb auf molekularer Ebene definiert werden. Das birgt große Potenziale für die Medizin. So könnten biologisch legitimierte Schwimm-Strategien ihre Anwendung in der Biomedizin finden z.B. für den gezielten Wirkstofftransport. Von uns untersuchte Zellen wurden bereits in anderen Studien mit Medikamenten versehen und gezielt in Tumoren angereichert.“

Ein Team der Universität Göttingen ergänzte die Arbeiten mit Simulationen, um herauszufinden, welcher Antriebsmechanismus bei den Bakterien für die beobachteten Schwimmbahnen verantwortlich ist. Das Ergebnis ist erstaunlich: Die beiden Geißelbündel, die nahe beieinander auf dem Zellkörper verankert sind, zeigen beim Schwimmen in entgegengesetzte Richtung. Dadurch wird die Bakterienzelle von einem Bündel gezogen und vom anderen geschoben. Diese Art des Antriebs wurde noch bei keinem anderen Mikroorganismus beobachtet. Die daraus resultierenden Schwimmbahnen beschreiben doppelte oder sogar dreifache Spiralen. Das Bakterium macht gewissermaßen Loopings. Die tatsächliche Geschwindigkeit ist noch größer als angenommen, da die Spiralen die zurückgelegte Strecke erheblich vergrößern. Die reale Geschwindigkeit liegt im Bereich von 400 bis 500 Mikrometer (millionstel Meter) pro Sekunde. Die Bakterien, die ungefähr 1 Mikrometer groß sind, bewegen sich also über 500 Körperlängen pro Sekunde. Zum Vergleich: Olympische Schwimmer schaffen nur eine Körperlänge pro Sekunde.

Doch was ist der Zweck dieser ungewöhnlichen Schwimmweise? „Wir nehmen an, dass diese Art des Spiralschwimmens in einer sedimentären Umgebung voller Hindernisse, die durch Schleifen umgangen werden können, von Vorteil ist“, sagt Stefan Klumpp vom Institut für Dynamik komplexer Systeme der Universität Göttingen. „Diese Besonderheit könnte auch in der medizinischen Mikrorobotik ausgenutzt werden, um sich im Blut von Patienten zu bewegen und zum Beispiel schnell einen Tumor zu erreichen.“ Tatsächlich bewegen sich diese Bakterien von sich aus in anaerobe Umgebungen hinein. Sie können daher Chemotherapeutika direkt in die Nähe eines Tumors bringen, der ebenfalls in einer sauerstoffarmen Umgebung liegt.

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