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Mikroorganismen Schwimmende Bakterien: Kontrollierte Bewegung von Mikroorganismen

| Autor / Redakteur: Roland G. Winkler* und Gerhard Gompper* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bakterien sind in der Lage, Oberflächeneigenschaften auf der Längenskala von wenigen Nanometern zu unterscheiden. Dies kann durch gezielte Oberflächenmuster ausgenutzt werden um die Bakterienbewegung zu steuern, z.B. zur Trennung unterschiedlich mobiler Zellen.

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Synchronisation der Rotationsbewegung von Flagellen und Bündelbildung. Anfänglich ist die rote Flagelle außer Phase (symbolisiert durch den Strich in der Projektion entlang der Flagellenachse in der unteren Reihe ganz links). Nach wenigen Zyklen rotieren alle Flagellen in Phase und bilden ein enges Bündel [4].
Synchronisation der Rotationsbewegung von Flagellen und Bündelbildung. Anfänglich ist die rote Flagelle außer Phase (symbolisiert durch den Strich in der Projektion entlang der Flagellenachse in der unteren Reihe ganz links). Nach wenigen Zyklen rotieren alle Flagellen in Phase und bilden ein enges Bündel [4].
(Bild: FZ Jülich)

Im Laufe der Evolution haben sich in der Natur ausgefeilte Mechanismen der Fortbewegung von Mikroorganismen entwickelt. Zudem wurden in den letzten Jahren viele synthetische Mikro- und Nanoroboter entwickelt. Dabei sind in allen Fällen besondere Antriebsmechanismen notwendig, um mit den speziellen physikalischen Bedingungen auf diesen winzigen Längenskalen zurechtzukommen. Mit den Erkenntnissen zur autonomen Fortbewegung lassen sich in Zukunft selbstgesteuert Mikroschwimmer entwickeln, die medizinische Aufgaben übernehmen könnten, wie zum Beispiel die Auflösung eines Blutgerinnsels in der Blutbahn oder die Bekämpfung eines Tumors.

Ein detailliertes Verständnis der Bewegungsmechanismen von Spermien, Bakterien und anderer Mikroorganismen erlaubt es nicht nur, das Verhalten dieser Objekte besser zu beschreiben, sondern auch ihre Bewegung gezielt zu beeinflussen, verschiedene Mikroorganismen voneinander zu trennen und künstliche Mikroschwimmer für bestimmte Aufgaben zu entwickeln und zu optimieren. Dies ist zum Beispiel wichtig für die In-vitro-Fertilisation, wo besonders agile Spermien herausgefiltert werden müssen, oder bei der Abtrennung von Bakterien einer bestimmten Art, um sie für Analysezwecke konzentrieren zu können. Methoden der Mikrofluidik spielen hier eine immer wichtigere Rolle.

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Antrieb über schraubenförmige Geiseln

Ein wichtiges Beispiel für solche Mikroorganismen sind Bakterien, von denen einige in einer Flüssigkeit schwimmen, andere auf einer Oberfläche gleiten können, um so Nahrung zu finden oder Regionen mit hoher Bevölkerungsdichte zu entkommen [1]. Viele schwimmende Bakterien werden durch schraubenförmige (helikale) Geiseln (Flagellen) angetrieben, wobei jede durch einen in die Zellwand eingebetteten Komplex von Motorproteinen in Rotation versetzt wird [1, 2], mit einer Rotationsfrequenz von ca. 100 Hz. Verschiedene Bakterienarten haben eine unterschiedliche Anzahl von Flagellen, die wiederum in verschiedener Weise auf dem zylinderförmigen Bakterienkörper verteilt sein können.

Die peritrichen Bakterien, zu denen Escherichia coli und Salmonellen gehören, haben mehrere Flagellen (typischerweise ungefähr sechs), deren Ankerpunkte zufällig auf der Zellwand verteilt sind. Diese Bakterien haben eine raffinierte Strategie entwickelt, um zwei Ziele gleichzeitig zu erreichen: die Fortbewegung und die Steuerung der Bewegung in Richtung eines chemischen Konzentrationsgradienten („Chemotaxis“). Zur Fortbewegung rotieren alle Flagellen in derselben Richtung und bilden ein Bündel, das wie eine Schiffschraube das Bakterium vorwärts treibt. Eine Richtungsänderung erreicht das Bakterium durch eine zufällige Taumelbewegung, die durch die Umkehr der Rotation eines Flagellums eingeleitet wird und zum Ausscheren dieses Flagellums aus dem Bündel führt.

Am Ende des Taumelvorgangs wird dann wieder die ursprüngliche Rotationsrichtung angenommen und das Bündel bildet sich erneut. Chemotaxis wird dadurch erreicht, dass die Zeit der geradlinigen Fortbewegung von den Umgebungsbedingungen abhängt – sie ist umso länger, je stärker sich die Bedingungen verbessern [1, 2].

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