Mikrobisches Hockey Wie Bakterien am Rad drehen

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Man nehme: eine Lösung mit E-coli-Bakterien und eine Art Miniatur-Hockey-Puck. Was Forscher dann im Mikroskop beobachteten, war eine Drehbewegung der winzigen Scheibe. Angetrieben wurde diese durch die Bakterien. Wie genau das geschieht, zeigt die nun veröffentlichte Studie der Forscher.

Am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) widmet sich die Forschungsgruppe von Jérémie Palacci der Kunst des Schmiedens – allerdings auf eine etwas andere Art und Weise. Anstelle herkömmlicher Werkzeuge setzt die Forschungsgruppe E. coli-Bakterien ein, die oft mit Infektionen durch kontaminierte Lebensmittel in Verbindung gebracht werden. Wenn man sie aber in Wasser platziert, erzeugen die langen Flagellen der Mikroben – ihre Fortsätze, die sie vorantreiben – ein so genanntes aktives Bad. Dieses dynamische Umfeld wirkt dadurch wie ein kleines Feuer, welches die „Temperatur“ auf ein Äquivalent von 2.000 °C erhöht – jene Temperatur, die ein Schmied zum Bearbeiten von Metallen benötigt. Die Forschenden können mit diesem aktiven Bad gelartige Aggregate erstellen und sogar winzige Mikroscheiben zum Drehen bringen. Wie Letzteres funktioniert, zeigt nun eine neue Publikation der ISTA-Forscher Daniel Grober und Jérémie Palacci in Zusammenarbeit mit Tanumoy Dhar und David Saintillan von der University of California in San Diego.

Mikrobielle Motoren

Wie ein durch die Mikrobenbewegungen hervorgerufenes aktives Bad aussehen kann, zeigten Palacci, Grober und Kollegen in einer Nature Physics Publikation aus dem Jahr 2023.

Mithilfe ihrer Bakterien konnten die Forschenden klebrige Kolloide antreiben, um gelartige Aggregate zu kreieren. Diese rotierten, ausgehend von der Drehung der E. coli-Flagellen, ausschließlich im Uhrzeigersinn (s. Video 1, 10 s). Die Gründe für dieses Verhalten waren jedoch nicht klar.

Bakterien helfen bei Molekülaggregation

Schwimmende Bakterien ermöglichen „kaltes Schmieden“ von Molekülen

Bei ihrer Erklärungssuche stießen Grober und Palacci auf eine Studie aus dem Jahr 2010, in der Bakterien mit Zahnrädern interagierten, wobei sie ausschließlich asymmetrische Zahnräder zum Drehen brachten. Palaccis Theorie lautete damals: „In dieser Arbeit verhielten sich die Bakterien wie winzige Fahrzeuge, die das asymmetrische Zahnrad ständig zum Drehen anstießen.“ Die Forscher vermuteten, dass die asymmetrische Form auch für ihre rotierenden klebrigen Kolloide die Ursache sein könnte. Die Messung dieses Effekts erwies sich jedoch als schwierig, da die zufällige Asymmetrie der Aggregate zu starken Datenstörungen führte. Die Wissenschaftler mussten daher einen Schritt zurücktreten und ein klareres Experiment definieren

Drehende Hockey-Pucks in der Petrischale

Mit einem 3D-Nanoprinter stellte Grober glatte, symmetrische Mikroscheiben, die Hockey-Pucks ähnelten. Als sie diese Pucks anschließend in die mit E. coli gefüllten aktiven Bäder einführten, fingen sie an sich im Uhrzeigersinn zu drehen (s. Video 2, 30 s). Die Wissenschaftler waren überrascht, denn dies widerlegte die frühere Hypothese, dass sich symmetrische Formen nicht drehen.

Ein etwas detailreicherer Puck mit zum Beispiel vier zur Mitte hin reichenden Kammern drehte sich sogar noch schneller (s. Video 3, 22 s).

Im Zusammenspiel mit den begrenzten Räumen der Kammern in der Scheibe wirkten die Bakterien wie kleine Paddel, die die Drehung verstärkten. Interessanterweise drehte sich sogar ein Puck mit nur einer Kammer ohne geschlossenes Ende, sobald ein E. coli-Bakterium hindurch schwamm (s. Video 4, 4 s). Für die Drehung war also kein direkter mechanischer Kontakt der Bakterien mit der Wand notwendig.

Hydrodynamische Interaktion ist der Schüssel

Palacci stellt klar, dass die Drehung der Scheibe nicht durch direkten Kontakt verursacht wird, was sich von den Beobachtungen bei asymmetrischen Zahnrädern unterscheidet. Die neue Studie zeigt, dass die plantschenden E. coli die Flüssigkeit durch ihre Schwimmbewegung um sich herum wirbeln. Ihre Körper drehen sich in eine Richtung, während sich ihre Fortsätze in die entgegengesetzte Richtung drehen.

Diese Drehbewegung, auch als Drehmoment bezeichnet, führt dazu, dass die Flüssigkeit sowohl vor als auch hinter den schwimmenden Bakterien in einen Wirbel gerät. Dadurch entsteht eine Zugkraft auf die obere Wand der Kammer. Obwohl sich die Drehbewegungen gegenseitig aufheben und der Mittelpunkt des Pucks stabil bleibt, entsteht dennoch ein Gesamt-Drehmoment, der die Scheibe in Rotation versetzt. Das liegt daran, dass die Drehungen an unterschiedlichen Punkten in der Kammer entstehen.

Man kann sich das so vorstellen, als würde man ein Marmeladenglas öffnen, indem man am Deckel dreht, die Mitte sich aber keinen Millimeter bewegt. Mathematische Modelle, die mit diesen Beobachtungen übereinstimmen, liefern den Beweis, dass E. coli durch diese hydrodynamischen Wechselwirkungen Bewegung antreibt.

„In unserem Forschungsfeld ist es ein bekanntes Phänomen, dass die Gegenrotation des Körpers und der Flagellen von E. coli dazu führt, dass sich die Bakterien in der Nähe einer festen Oberfläche im Uhrzeigersinn bewegen“, erklärt Grober. „Diese Dynamik konnten wir umkehren, indem wir E. coli in einem mikroskopischen Kanal unter der Scheibe einschlossen. Diese Experimente nutzen genau denselben hydrodynamischen Effekt, um im Wesentlichen einen mikroskopischen, berührungslosen Motor zu erzeugen, der die dauerhafte Rotation der Scheibe antreibt.“

Neue Perspektiven für Medizin- und Nachhaltigkeitsforschung?

Die Fähigkeit von Bakterien mit Flagellen, Objekte zu drehen, beruht also auf Begrenzung, ist kumulativ und unabhängig von der Form des Gegenstandes, welchen sie rotieren. Das sind wichtige neue Erkenntnisse, denn im Wesentlichen sollte dieses Phänomen immer dann beobachtbar sein, wenn sich Bakterien in engen Räumen befinden. Das kommt in der Natur häufig vor – sei es in Biofilmen, die für die Resistenz von Bakterien entscheidend sind, oder in Böden, wo Bakterien eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Ökosystem spielen.

„Trotz seiner Bedeutung wurde dieser Effekt bisher übersehen. Wir hoffen, dass dieses neue Verständnis einen bedeutenden Einfluss auf die medizinische Therapie oder Nachhaltigkeitsbemühungen haben wird“, fasst Palacci zusammen.

Originalpublikation: Grober et al.: The hydrodynamic torque dipole from rotary bacterial flagella powers symmetric discs, Nature Physics (2026); DOI: 10.1038/s41567-026-03189-4

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