ForscherInnen der Universität Innsbruck haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team die Bewegungsmuster des Bakteriums Escherichia coli beschrieben. Hierfür verwendeten sie einen genmodifizierten Bakterienstamm, Experimente unter dem Mikroskop und komplexe Funktionen.
Escherichia coli zählt zu den weltweit bekanntesten Bakterien. Nicht nur ist sie in unserem Darm in großer Zahl präsent, sondern dient auch als beliebter Modellorganismus in der Forschung. Unter dem Mikroskop sind E. coli-Bakterien als wimmelnde Stäbchen zu erkennen, die permanent in Bewegung sind. Die genaue Beschaffenheit dieser Bewegungen wurde nun im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts von mehreren ForscherInnenteams untersucht. Hierbei wurde unter anderem ein neuer Bakterienstamm gezüchtet, dessen Bewegungsabläufe steuerbar sind. Die experimentellen Daten wurden mit einem physikalischen Modell verglichen, das die Bewegungsmuster von E. coli über längere Zeiträume beschreibt und durch die Studie bestätigt wurde.
Die Tiroler Wissenschaftlerin Christina Kurzthaler hat durch die Anwendung einer intermediären Streufunktion den Vergleich zwischen Experimenten und Theorie ermöglicht. Diese bahnbrechende Arbeit nahm ihren Anfang im Rahmen ihrer Doktorarbeit in der Forschungsgruppe von Thomas Franosch am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. Kurzthaler, eine der Erstautorinnen der Studie, leitet heute eine eigene Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden. Ihre Arbeit wurde kürzlich als Editor’s Pick in Physical Review Letters veröffentlicht, einer der wichtigsten Fachzeitschriften im Bereich der Physik.
Schwimmen und Taumeln
Die Biophysik beschreibt die Bewegung von E. coli durch das „Run and Tumble“-Modell. Die Bakterien schwimmen mithilfe zahlreicher kleiner Geißeln in eine bestimmte Richtung. Anschließend erfolgt ein Übergang in ein Taumeln, und die Bakterie führt einen Richtungswechsel durch. Obwohl dieses charakteristische Verhalten seit langem bekannt ist, konnte es bisher nicht präzise beschrieben werden. Zum Beispiel war es kaum möglich zu quantifizieren, wie lange die Bakterien schwimmen, bevor sie in das Taumeln übergehen.
„E. coli Bakterien bewegen sich sehr schnell in einem dreidimensionalen Raum, da sie in einer Lösung schwimmen. Diese Bewegung ist schwer zu messen, weil dies sehr viele Daten erfordert“, so Kurzthaler. „Einzelne Bakterien über lange Zeit zu verfolgen ist sehr aufwändig und benötigt spezielle experimentelle Instrumente.“ Das Taumelverhalten ist für das Bakterium sehr wichtig, denn es nutzt es bei der Futtersuche oder bei der Flucht vor giftigen Stoffen. „Dieses Verhalten genau zu kennen, eröffnet viele neue experimentelle Möglichkeiten“, so Kurzthaler.
Bestätigung durch Streufunktion
Um präzise Beschreibungen der Bewegungsabläufe zu ermöglichen, konzipierten Partnergruppen an chinesischen Forschungseinrichtungen einen genetisch modifizierten E. coli-Stamm. Dieser Stamm ermöglicht es, die Häufigkeit des Taumelns zu verringern oder zu erhöhen, indem er in spezifischen chemischen Lösungen kultiviert wird.
An der Universität von Edinburgh führte eine Forschergruppe Experimente mit diesen Bakterien durch und erstellte mikroskopische Aufnahmen der gesamten Bakterienpopulation zu verschiedenen Zeitpunkten. Die gesammelten Daten wurden von den Innsbrucker ForscherInnen mithilfe einer von Kurzthaler entwickelten intermediären Streufunktion analysiert. Diese misst indirekt die Verteilung der Bakterien im Raum und in der Zeit und liefert somit Informationen über ihre Dynamik. Dies ermöglichte die Berechnung einer Vielzahl von Daten über längere Zeiträume, einschließlich der Geschwindigkeit der Bakterien und der Dauer des Taumelns. Das Ergebnis war eine detaillierte Beschreibung der Bewegung von E. coli-Bakterien im dreidimensionalen Raum.
„Das Modell des Run-and-Tumble selbst ist nicht neu“, sagt Franosch. „Unser Lösungsansatz, eine Bewegung im Raum mit numerischen Lösungen am Computer zu berechnen, schon. In anderen Gebieten wie der Festkörperphysik ist das bereits Gang und Gäbe, in der Biophysik aber eine Innovation. Und dabei kommt etwas Faszinierendes heraus: dass dieses wirklich simple Run-and-Tumble Modell die Bewegung der Bakterien perfekt beschreibt. Wir haben es mit unserer komplizierten Funktion überprüft und konnten keine Abweichung feststellen. Im Bereich der Biophysik ist es ziemlich erstaunlich, dass ein theoretisches Modell durch Experimente so genau bestätigt werden kann.“
