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Mikroorganismen

Schwimmende Bakterien: Kontrollierte Bewegung von Mikroorganismen

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Experimente und Simulationen zeigen, dass sich Bakterien in der Nähe von Oberflächen auf Kreisbahnen bewegen. Typische Bahnradien sind im Bereich von 100 Mikrometern. Dies ist in Abbildung 1 illustriert. Bei Haftreibung der Flüssigkeit auf der Oberfläche schwimmt das Bakterium im Uhrzeigersinn (UZS). Im Gegensatz dazu schwimmt es bei sehr geringer Gleitreibung entgegen dem Uhrzeigersinn (GUZS). Die Radien der entsprechenden Kreise können durch die Modifikation der effektiven Reibung kontrolliert werden. Insbesondere kann diese so eingestellt werden, dass eine Zelle geradeaus schwimmt [3].

Verantwortlich für dieses Verhalten ist die Rotation des Bakterienkörpers und des Flagellenbündels. Die oben erwähnte Rotation des Flagellenbündels bedingt als Antwort eine entgegengesetzte Rotation des Bakterienkörpers. Anschaulich ist das Schwimmverhalten für den Fall perfekter Haftreibung. Hier rollen der Zellkörper und das Bündel – zusätzlich zur Vorwärtsbewegung – über die Oberfläche wie ein Bleistift über einen Tisch. Ihre entgegengesetzte Rotation ist verantwortlich für die kreisartige Bewegung. Unter Gleitreibungsbedingungen sind die Scherkräfte des Flüssigkeitsfilms zwischen Zelle und Oberfläche reduziert, was zu einer Richtungsumkehr der Kreisbahn führt [3].

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Auf mikrostrukturierten Oberflächen schwimmen

Der unterschiedliche Drehsinn der Bakterienspur kann nun ausgenutzt werden, um die mittlere Zellbewegung in eine gewünschte Richtung zu zwingen. Dies wird ermöglicht durch gestreifte Oberflächen mit Streifen unterschiedlichen Reibungsgrades. Realisiert werden können solche Oberflächen beispielsweise durch flache „Gräben“ in Glas, die dann mit Luft oder einer niederviskosen Flüssigkeit gefüllt werden. Alternativ sind Muster mit unterschiedlichen Beschichtungen aus verschiedenen Materialien wie Polymerbürsten möglich. Über den Streifen unterschiedlicher Reibung schwimmen die Bakterien in Kreisbögen mit verschiedenen Radien und unterschiedlichen Krümmungsrichtungen auf einer schlangenförmigen Bahn entlang der Streifenkante, die sich aus einer Abfolge von Stücken ...UZS-GUZS-UZS-GUZS-UZS... zusammensetzt (s. Abb. 3). Das Schwimmverhalten kann dabei über die Streifenbreite kontrolliert werden. Hierbei muss sich die Streifenbreite am typischen Bahnradius orientieren [3].

Die Geometrie in Abbildung 3 illustriert den Effekt für alternierende Streifen gleicher Breite mit Haftreibung einerseits und perfekter Gleitreibung andererseits. Bei sehr schmalen Streifen – verglichen mit den Bahnradien – bewegt sich eine Zelle in zufällige Richtungen. Sind die Streifen jedoch breiter als der Krümmungsradius, ergibt sich eine gerichtete Bewegung entlang der Streifengrenzen [3].

Dieser Effekt bietet sich nun an, um mikrofluidische Bauelemente zur Trennung verschiedener Bakterien zu konstruieren. Für eine bestimmte, geeignet gewählte Streifenbreite bewegen sich Bakterien mit größeren Bahndurchmessern isotrop und diffusiv, und breiten sich deshalb von einem ursprünglich winzigen Tropfen einer Bakteriensuspension nur sehr langsam aus, während sich Bakterien mit kleinen Bahndurchmessern an den Streifenkanten entlang schlängeln und sich damit sehr viel schneller vorwärts bewegen können.

Dieses Beispiel illustriert, wie Erkenntnisse über die Bewegung von Mikroorganismen für die Konstruktion und die Optimierung neuer Analyseverfahren genutzt und eingesetzt werden können.

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