Mikroskopische Fluktuationen helfen Bakterien bei der Arbeit

Eine Publikation aus der Theoretischen Physik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) mit amerikanischen Partnern liefert neue Erkenntnisse über den Diffusionsprozess in komplexen und lebenden Systemen. Dies hat weitreichende Auswirkungen auf bakterielle Biofilme, aktive Beschichtungen und sogar Mechanismen, um Krankheitserreger wie Covid-19 beseitigen zu können.

Physik: Veröffentlichung in Nature Communications

Tropft man Tinte in ein Glas mit ruhendem Wasser, dann bewirkt die Diffusion die langsame Färbung des Wassers. Doch obwohl seit vielen Jahrzehnten bekannt ist, wie Diffusionsprozesse beschrieben werden können, ist noch nicht gut verstanden, wie sie in komplexeren Systemen wie lebenden Organismen funktionieren.

Eine jetzt in Nature Communications veröffentlichte Studie bietet neue Einblicke in den Diffusionsprozess komplexer Systeme. Prof. Dr. Hartmut Löwen vom HHU-Institut für Theoretische Physik II entwickelte gemeinsam mit Prof. Dr. Arnold Mathijssen von der University of Pennsylvania und Prof. Dr. Francisca Guzman-Lastra von der Universidad de Chile in Santiago einen neuen theoretischen Rahmen der Diffusion. Dieser hat weitreichende Auswirkungen auf eine Reihe von Systemen mit aktiven Oberflächen, darunter Biofilme und aktive Beschichtungen. Ebenfalls können daraus möglicherweise Mechanismen abgeleitet werden, um Krankheitserreger zu beseitigen.

Prof. Löwen: „Im Prinzip wird Diffusion durch die sogenannten Fickschen Gesetze beschrieben. Sie besagen, dass Partikel, Atome oder Moleküle immer von einem Bereich hoher zu einem mit niedriger Konzentration driften.“ Damit bestimmt die Diffusion die Ausbreitung kleiner Moleküle im Körper. Wenn die zu transportierenden Partikel jedoch größer werden – wie Proteine oder Zellen –, ist die Standarddiffusion zu langsam für einen echten Transport.

Solche Partikel benötigen aktive Transportkomponenten. In der Biologie werden diese als „aktive Teppiche“ bezeichnet – zum Beispiel Zytoskelettmotoren oder Zilien, die der Umgebung geringe Energiemengen hinzufügen, damit die Diffusion effizienter wird.

Noch vor dem Corona-bedingten Lockdown etablierte sich bei einem Besuch in Düsseldorf die internationale Zusammenarbeit zwischen Prof. Löwen, Prof. Mathijssen und Prof. Francisca Guzman-Lastra. Sie wollten verstehen, wie aktive Bewegung auf Substraten effektive Lösungsmittelflüsse anwerfen können.

Biofilme sind ein wichtiges Beispiel für aktive Teppiche. Es handelt sich dabei um Schichten von Mikroorganismen – wie Bakterien, Algen oder Pilzen – und auch mehrzelligen Organismen, die sich auf Oberflächen entwickeln und dort eine Schleimschicht bilden. Diese Filme sind gerade in der Medizin kritisch, da sich darin auch Krankheitserreger vermehren können, die durch den Schleim vor dem Immunsystem geschützt sind.

Bakterien in Biofilmen erzeugen mit ihren Flagellen oder Geißeln „Ströme“, die Flüssigkeit und Nährstoffe aus ihrer Umgebung pumpen. Wie können sich Biofilme aber selbst versorgen, wenn Nährstoffen nur eingeschränkt zugänglich sind? Dazu Prof. Löwen: „Sie können ihre Nahrungsaufnahme erhöhen, indem sie Ströme erzeugen. Aber dies kostet auch Energie. Die zentrale Frage für uns war: Wie viel Energie stecken sie hinein, um wieviel Energie herauszuholen?“

Um sowohl die Bakteriendynamik als auch die Fickschen Gesetze zu verstehen, entwickelten die Forscher ein Modell ähnlich der sogenannten Stokes-Einstein-Gleichung, das die Gleichgewichtsbeziehung zwischen Temperatur und Diffusion beschreibt. Sie fanden heraus, dass mikroskopische Schwankungen die Veränderungen erklären können, die sie bei der Partikeldiffusion sahen. Das neue Modell ergab auch, dass die durch kleine Bewegungen erzeugte Diffusion unglaublich effizient ist und es Bakterien ermöglicht, mit nur kleinem Energieeinsatz eine große Menge an Nahrung zu gewinnen.

„Wir haben jetzt eine Theorie abgeleitet, die den Transport von Molekülen innerhalb von Zellen oder in der Nähe von aktiven Oberflächen vorhersagt“, so Prof. Guzman-Lastra, und weiter: „Mein Traum wäre es, dass diese Theorien in verschiedenen biophysikalischen Umgebungen angewandt wird.“ Prof. Mathijssen weist auf die Zilien in der Lunge hin, die die erste Verteidigungslinie gegen Krankheitserreger wie COVID-19 bilden. Sie sind ein weiteres wichtiges Beispiel für aktive Teppiche in der Biologie: „Neben einem generellen experimentellen Test steht ganz oben auf der Agenda, ob unsere Theorie der aktiven Teppiche mit der Beseitigung von Krankheitserregern in den Atemwegen in Verbindung gebracht werden kann.“

Originalpublikation:

A. Mathijssen, F. Guzman-Lastra, H. Löwen, Active carpets drive non-equilibrium diffusion and enhanced molecular fluxes, Nature Communications, 26.3.2021

DOI: 10.1038/s41467-021-22029-y

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