Bakterien helfen bei Molekülaggregation Schwimmende Bakterien ermöglichen „kaltes Schmieden“ von Molekülen

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Hitze lässt Metalle zu Legierungen verschmelzen – und auch andere Moleküle werden durch Energie zu größeren Verbünden „geschmiedet“. Dass es auch weniger heiß funktioniert, zeigt ein neuer Ansatz von Forschern des ISTA in Österreich. Sie nutzen die Bewegungsenergie von Bakterien, um Moleküle zu größeren Aggregaten zusammenzufügen.

Wenn sich die passenden Moleküle in einer Lösung befinden, können sie sich unter geeigneten Umständen zu einem größeren Netzwerk vereinen. Doch wie lässt sich ein solcher Agglomerationsprozess optimieren? Dieser Frage ist ein Team vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) nachgegangen. Die nun veröffentlichte Studie zeigt eine neue experimentelle Strategie, die zur Herstellung von Materialien aus kleinen Bausteinen dient. Dabei ließ man sich von der Metallurgie inspirieren – der feinen Kunst des Schmiedens, bei der Zyklen hoher Temperatur und langsamer Abkühlung die Struktur eines Materials festlegen. Diese Technik wurde auf weiche Materialien übertragen, indem die Aktivität von schwimmenden Bakterien in einem Bad genutzt wurde.

Ein aktives Bad für neue Materialien

In der Forschungsgruppe von Jérémie Palacci am ISTA dreht sich alles um mikroskopische Teilchen. „Wir arbeiten mit winzigen ‚Lego‘-ähnlichen Bausteinen, die hundertmal kleiner sind als ein Haar. Unser Ziel ist es herauszufinden, wie diese Bausteine zusammenkommen und größere Strukturen bilden“, erklärt der Physiker. Wenn die Bausteine im Wasser gelöst sind, „hüpfen“ sie wahllos hin und her, aufgrund der gegebenen Temperatur, die den Teilchen Energie liefert – ein Phänomen, das erstmals 1905 von Einstein beschrieben wurde und als Brownsche Bewegung bekannt ist.

Um Ordnung in das Chaos zu bringen, kann man dem Wasser einen Zündstoff (aus dem Englischen: „Active Agent“) beimischen. Dadurch entsteht ein aktives Bad („Active Bath“), in dem der Zündstoff wie ein kleines Feuer wirkt. Durch diese zusätzliche Energie könnte man den Zusammenbau und die Eigenschaften von Materialien steuern, wie es ein Schmied beim Bearbeiten der Metalle tut. Ein Ansatz, in dem zum Beispiel Bakterien zum Schmieden verwenden werden, wurde jedoch bisher nie erforscht.

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Palaccis Student Daniel Grober begann mit der Konstruktion eines solchen von der Metallurgie inspirierten Aktivbads. „Als Zündstoff haben wir E.-coli-Bakterien verwendet.“, sagt Grober. „Ihre Schwimmbewegungen liefern Energie und Bewegung, die für einen Physiker einer ‚Temperatur‘ von 2.000 °C entspricht – ähnlich der, die für die Herstellung von Metallen benötigt wird. Da es aber Bakterien sind und es sich nicht um einen echten Ofen handelt, ist der Prozess sanft genug, um Gele und weichen Materialien herzustellen, ohne sie dabei zu verbrennen.“ Die Bausteine waren mikroskopisch kleine Partikel in Form von klebrigen Kolloiden – runde Kügelchen, die zusammenkleben, wenn sie in Kontakt kommen.

Diese Idee entpuppte sich als Erfolg: Die schwimmenden Bakterien verstärkten effektiv die Bewegung der Kügelchen, sodass sich Aggregate und gelartige Strukturen bildeten.

Tanz der Aggregate

Die Cluster, die entstanden sind, zeigten einige Auffälligkeiten. Die Aggregate drehten sich langsam im Uhrzeigersinn. Um dies besser zu verstehen, führte Grober eine statistische Analyse der Bewegung des Systems durch. Diese bestätigte eine langsame und anhaltende Rotation der Aggregate, die ihren Ursprung in der Uhrzeigersinn-Bewegung (Chiralität) der E.-coli-Flagellen hat – den winzigen Füßchen, die die Bakterien in Bewegung halten. Der Forscher vermutete, dass die Rotationsbewegung eine entscheidende Rolle bei der Bildung der von ihm beobachteten unkonventionellen Strukturen hat.

Um das im Experiment beobachtete Phänomen der drehenden Aggregate aufzuklären, entwickelte Grobers Kollege Ivan Palaia ein minimales Computermodell. Damit wollte er die Chiralität des Bakterienbads erfassen, ohne dabei die schwimmenden Bakterien selbst simulieren zu müssen. Die Computersimulationen wurden zunächst durch die quantitative Reproduktion der experimentellen Ergebnisse validiert, bevor sie zu einem genaueren Verständnis des Mechanismus führten. Das Modell bestätigte die bedeutende Rolle der Rotation bei der Formierung von Gelen, da durch sie Strukturen mit ungewöhnlichen mechanischen Eigenschaften entstehen – solche, die auf konventionelle Weise nicht erreicht werden.

Ein Blick in die Zukunft

Der Einsatz von Bakterienbädern zur Herstellung unkonventioneller Materialien ist sehr vielversprechend. Zwar beschränkte sich die Studie auf 2D-Strukturen im Mikrometermaßstab, doch wurde der Ansatz so konzipiert, dass er sich hochskalieren lässt. „Mit unserem innovativen Ansatz könnte es theoretisch möglich sein, 3D-Proben zu konstruieren, die groß genug sind, dass ich sie in meinen Händen halten kann“, fügt ISTA-Physiker Palacci hinzu. Dieser Fortschritt könnte auch die Nachhaltigkeit in der Materialproduktion verbessern, da man statt externer Energiequellen die Energie der Bakterien nutzen kann.

Originalpublikation: D. Grober, I. Palaia, M. C. Ucar, E. Hannezo, A. Šarić & J. Palacci. 2023. Unconventional colloidal aggregation in chiral bacterial baths, Nature Physics; DOI: 10.1038/s41567-023-02136-x

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