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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].

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.

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.

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].

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.

Literatur

[1] Howard C. Berg, E. Coli in Motion, Biological and Medical Physics Series (Springer, 2004); DOI: 10.1007/b97370.

[2] Jens Elgeti, Roland G. Winkler, and Gerhard Gompper, Physics of microswimmers — single particle motion and collective behavior: a review, Reports of Progress in Physics 78, 056601 (2015); DOI: 10.1088/0034-4885/78/5/056601.

[3] Jinglei Hu, Adam Wysocki, Roland G. Winkler, and Gerhard Gompper, Physical sensing of surface properties by microswimmers — directing bacterial motion via wall slip, Scientfic Reports 5, 9586 (2015); DOI: 10.1038/srep09586.

[4] Shang-Yik. Reigh, R. G. Winkler, and G. Gompper, Synchronization and bundling of anchored bacterial flagella, Soft Matter 8, 4363 (2012); DOI: 10.1039/C2SM07378A.

* Prof. Dr. R. G. Winkler und Prof. Dr. G. Gompper: Forschungszentrum Jülich, Institute of Complex Systems und Institute for Advanced Simulation, 52428 Jülich

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