Wenn Bakterien sich verbiegen

Fadenförmige Cyanobakterien knicken ab einer bestimmten Länge ab, wenn sie auf ein Hindernis treffen. Dies fand eine Forschungsgruppe um Stefan Karpitschka, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und Professor an der Universität Konstanz, heraus. Die Ergebnisse liefern eine wichtige Grundlage für den Einsatz von Cyanobakterien in der modernen Biotechnologie.

Cyanobakterien sind eine der ältesten und wichtigsten Lebensformen auf der Welt – nicht zuletzt, weil sie maßgeblichen den Sauerstoff in unserer Atmosphäre erzeugt haben. Manche Typen bilden lange Fäden, die aus einigen wenigen bis zu mehr als 1.000 individuellen Zellen zusammengesetzt sind. In dieser Form können sich die fadenartigen Bakterien fortbewegen. Die Prinzipien dieser Fortbewegung wurden nun von einem Forschungsteam um Stefan Karpitschka, Gruppenleiter am MPI-DS und Professor an der Universität Konstanz in Zusammenarbeit mit der Universität Bayreuth und der Universität Göttingen untersucht.

„Wir haben die Kraft während der Fortbewegung an einzelnen fadenförmigen Bakterien gemessen“, beschreibt Erstautor Maximilian Kurjahn den Ansatz. „Dabei haben wir festgestellt, dass sie bei Krafteinwirkung ab einer bestimmten Länge anfangen sich zu verbiegen, während kürzere Filamente gerade bleiben“, so Kurjahn weiter. Hierzu nutzten die Forscher*innen einen speziellen Mikrofluidik-Chip, in welchem die Bakterien in Kanäle gelenkt wurden und schließlich auf ein Hindernis trafen. Durch diesen Biegetest stellte sich heraus, dass die Fäden ab einer Länge von etwa 150 Mikrometern anfangen, abzuknicken.

Kritische Länge ermöglicht Flexibilität des Systems

„Interessanterweise liegt die Länge der meisten Cyanobakterien ebenfalls in diesem Bereich“, berichtet Karpitschka. Er fährt fort: „Das bedeutet, dass sich durch leichte Veränderungen in der Länge bei einer Population deren Bewegung ändert. Dies deutet auf einen natürlichen Kipppunkt hin, mit dem die Bakterien ihr Verhalten an äußere Bedingungen anpassen.“ Die Bakterien scheinen sich dabei durch Adhäsion an der Oberfläche fortzubewegen, da sie keine Zilien oder andere äußere Propeller besitzen und höhere Krafteinwirkung eine höhere Reibung erzeugt.

Cyanobakterien nutzen Sonnenlicht als Energiequelle und bieten hierdurch vielversprechende Anwendungen in der Biotechnologie. Als Bio-Sonnenkollektoren kann aus ihnen beispielweise Biokraftstoff gewonnen werden. Durch ihre fadenförmige Struktur mit ähnlicher Dicke einer Carbonfaser könnten sie zudem in adaptiven Biomaterialien eingesetzt werden, in welchen die Form durch Licht verändert werden kann. Ein besseres Verständnis ihrer Bewegungseigenschaften trägt somit dazu bei, Cyanobakterien technologisch zu nutzen.

Originalpublikation:

https://elifesciences.org/articles/87450

Weitere Informationen:

https://www.ds.mpg.de/4058389/240614_cyano