image: Computer simulation by the Göttingen research team: a bacterium propelling itself along using flagella pointing forwards and behind. view more
Credit: Sarah Mohammadinejed, University of Göttingen
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 der Universität Göttingen, des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der CEA Cadarache (Frankreich) hat nun aufgeklärt, wie sich diese Bakterien bewegen und deren Schwimmgeschwindigkeit bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift eLife erschienen.
Die Forscherinnen und 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. 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 Prof. Dr. 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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Originalveröffentlichung: K. Bente, S. Mohammadinejad, et al. High-speed motility originates from cooperatively pushing and pulling flagella bundles in bilophotrichous bacteria. eLife (2020). https://doi.org/10.7554/eLife.47551
Kontakt:
Prof. Dr. Stefan Klumpp
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik - Institut für Dynamik komplexer Systeme
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon: 0551 39-26942
E-Mail: stefan.klumpp@phys.uni-goettingen.de
http://www.uni-goettingen.de/theoretische_biophysik