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Mikrobiologie Schwärmende Bakterien unter dem Mikroskop

| Redakteur: Christian Lüttmann

Schwärme sichern in der Natur das Überleben vieler Individuen. Neben Vögeln und Fischen zeigen auch Bakterien ein Schwarmverhalten. Welche Regeln dabei gelten, hat nun in internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Marburg untersucht.

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Bakterien (dargestellt als Ellipsen) organisieren sich als Schwärme, wenn sie sich über Oberflächen bewegen. Jedes Bakterium ist entsprechend seiner Geschwindigkeit eingefärbt, wobei schnelle Bakterien rot dargestellt sind und langsame Bakterien blau.
Bakterien (dargestellt als Ellipsen) organisieren sich als Schwärme, wenn sie sich über Oberflächen bewegen. Jedes Bakterium ist entsprechend seiner Geschwindigkeit eingefärbt, wobei schnelle Bakterien rot dargestellt sind und langsame Bakterien blau.
(Bild: Hannah Jeckel)

Marburg, Berlin, Cambridge/USA – Die gemeinschaftliche Bewegung von Zellen, das so genannte Schwärmen, ermöglicht Bakterien, sich auszubreiten sowie Nährstoffvorkommen zu erkunden. „Dieses Verhalten hat tiefgreifende Auswirkungen auf Krankheitsübertragung, Genfluss und Evolution“, sagt Professor Dr. Knut Drescher von der Philipps-Universität Marburg und vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie. Gemeinsam mit Forschern aus Berlin und Cambridge in den USA untersuchte er die schwarmartige Ausbreitung von Bakterien. Dazu nutzten die Wissenschaftler mikroskopische Untersuchungen und kombinierten diese mit genetischen Verfahren, maschinellem Lernen und mathematischer Modellierung.

Regeln für Bakterienschwärme finden

Zwar kennt man bereits wichtige physiologische und biophysikalische Faktoren, die bestimmte Aspekte des Schwarmverhaltens steuern. „Der kausale Zusammenhang zwischen den mikroskopischen Prozessen auf Ebene der Einzelzellen einerseits und der Schwarmdynamik auf der Makroebene andererseits wurde bislang jedoch noch nicht hergestellt“, legt Drescher dar.

Der Biophysiker und seine Kollegen schließen diese Lücke, indem sie Hochleistungsmikroskopie mit maschinellem Lernen und Computermodellierung kombinieren. „Wir zeigen mit diesem integrierten Ansatz, dass physikalische Zell-Zell-Interaktionen ausreichen, um die Dynamik des Bakterienschwärmens in allen Phasen zu beschreiben“, führt Dreschers Doktorandin Hannah Jeckel aus.

Sie nutzte ausgeklügelte mikroskopische Verfahren, um während der Entwicklung des Schwarms kurze Filme aufzunehmen. Die so gewonnen Daten wurden mittels maschinellem Lernen ausgewertet. Sie bildeten außerdem den Ausgangspunkt, um die Entwicklung der Bakteriengemeinschaften im Computer nachzubilden: So fanden die Autoren heraus, dass Stöße zwischen den Bakterien diese dazu veranlassen, sich in dieselbe Richtung zu bewegen. Eine hohe Dichte mobiler Zellen verstärkt diesen Effekt, immobile Zellen behindern ihn.

Originalpublikation: Hannah Jeckel & al: Learning the space-time phase diagram of bacterial swarm expansion. PNAS 2019; DOI: 10.1073/pnas.1811722116

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