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Mikroorganismen

Schwimmende Bakterien: Kontrollierte Bewegung von Mikroorganismen

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Computer-Simulationen der Bewegung

Computer-Simulationen bieten einzigartige Möglichkeiten, um das Verhalten von Bakterien und anderer Mikroorganismen unter einer Vielzahl von Bedingungen zu studieren und so die Konstruktion mikrofluidischer Bauelemente für ihre Kontrolle zu entwickeln und zu optimieren.

Für eine quantitative theoretische Beschreibung des Schwimmverhaltens eines peritrichen Bakteriums haben wir ein detailliertes mechanisches Modell des Körper und der Flagellen konstruiert [3, 4]. Die einzelnen, in der Abbildung 1 dargestellten Flagellen, werden an ihrer Verankerung am Körper aktiv in Rotation versetzt. Die umgebende Flüssigkeit wird durch ein so genanntes mesoskopisches Flüssigkeitsmodell beschrieben, in dem Gruppen von Molekülen zu Flüssigkeitselementen zusammengefasst werden [2, 4]. Nur auf diese Weise lassen sich die benötigten Längen- und Zeitskalen im Bereich von ca. 100 Mikrometern bzw. Sekunden mit der derzeit verfügbaren Computer-Leistung überhaupt erreichen.

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Bakterien bewegen sich typischerweise in einer wässrigen Umgebung. Die Wechselwirkungen einer Zelle mit der Flüssigkeit, so genannte hydrodynamische Wechselwirkungen, sind essenziell für den gesamten Schwimmvorgang. Hierbei versteht man unter hydrodynamischer Wechselwirkung, dass sich zwei Objekte in einer Flüssigkeit gegenseitig in ihrer Bewegung beeinflussen, ohne sich direkt zu berühren. Dies geschieht dadurch, dass ein Objekt die umgebende Flüssigkeit in Bewegung versetzt und das andere Objekt dann durch die Flüssigkeitsströmung mitgezogen wird [2].

Zunächst sind hydrodynamische Wechselwirkungen für den Vortrieb einer rotierenden Helix verantwortlich. Anschaulich wird dies klar, wenn man sich die Reibung eines langen Stabes ansieht. Bei diesem ist der Reibungskoeffizient in einer Flüssigkeit für die Bewegung senkrecht zur Stabachse doppelt so groß wie für die Bewegung entlang der Achse. Dieselbe Asymmetrie wird beim Schiffsantrieb durch die breite und flache Form der einzelnen Blätter der Schiffschraube erreicht. Es ist genau diese Asymmetrie, die den Vortrieb ergibt, ähnlich wie bei einer Schlange, die entlang ihres Körpers durch hohes Gras gleitet [2].

Weiterhin bewirken die flüssigkeitsvermittelten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Flagellen die Synchronisation ihrer Rotationsbewegung, was erst einen Bündelbildung ermöglicht [4]. Insbesondere spielen hydrodynamische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle für die Bewegung von Bakterien in der Nähe von Oberflächen.

Links- oder rechtsherum: Schwimmen an Oberflächen

Wasser „klebt“ typischerweise an einer Glasoberfläche, d.h. es gibt auf ihr einen atomar dünnen, ruhenden Flüssigkeitsfilm (Haftreibung). Auf anderen, hydrophoben Oberflächen gleitet Flüssigkeit mit mehr oder weniger großem Widerstand (Gleitreibung); die Wasser/Luft-Grenzfläche ist hier ein wichtiges Beispiel. Aufgrund der Bedeutung hydrodynamischer Wechselwirkungen erwarten wir, dass die Grenzbedingung das Schwimmverhalten eines Bakteriums wesentlich beeinflusst.

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