Eine neue Studie darüber, wie Bakterien schwimmen, könnte dazu beitragen, die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern und medizinische Behandlungen zu verbessern

Seit Jahren schreiben Science-Fiction-Autoren über die Idee, Mikroschwimmer einzusetzen, die Operationen durchführen oder Menschen Medikamente verabreichen könnten. Jetzt entdeckte ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities, wie Bakterien durch verschiedene komplexe Flüssigkeiten und Umgebungen wie den menschlichen Körper schwimmen.

Ihre Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, neue Behandlungen für bakterienverursachende Krankheiten zu entwickeln und bakterienbasierte Systeme zur Abgabe von Medikamenten in den menschlichen Körper zu entwickeln.

Die Studie ist erschienen in Natur.

Die University of Minnesota hat eine lange Geschichte mit dem Schwimmen in anderen Flüssigkeiten als Wasser. Im Jahr 2004 verglich Ed Cussler, damals Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften, die Geschwindigkeit eines wettbewerbsfähigen Universitätsathleten, der im Wasser schwamm, mit einer dicken, sirupartigen Guarkernmehllösung. Es führte zu einer unerwarteten Entdeckung (und einem IgNobel-Preis), dass Menschen in Guarkernmehl-Lösungen genauso schnell schwimmen können wie in Wasser.

Fast zwei Jahrzehnte später hat sich ein multidisziplinäres Team an der University of Minnesota erneut mit dem Problem befasst, außer dass die Schwimmer jetzt mikroskopisch kleine Bakterien statt Universitätssportler sind. Sie fanden heraus, dass Bakterien in dickflüssigen Lösungen noch schneller schwimmen als in Wasser.

„Bakterienschwimmen“, wie es in der Forschungsgemeinschaft allgemein genannt wird, wird seit den 1960er Jahren intensiv von Wissenschaftlern untersucht. Frühere Studien haben gezeigt, dass Bakterien in dicken Polymerlösungen schneller schwimmen, nämlich in Flüssigkeiten, die Polymere enthalten, die aus langkettigen Molekülen bestehen. Forscher haben die Theorie aufgestellt, dass dies daran liegt, dass die Bakterien durch das von den Kettenmolekülen gebildete Netzwerk schwimmen und die Ketten dehnen können, um ihren Antrieb zu unterstützen.

In dieser neuen Studie untersuchte das U of M-Team jedoch zum ersten Mal, wie sich Bakterien durch Lösungen aus kleinen festen Partikeln anstelle von Kettenmolekülen bewegen. Trotz großer Unterschiede in der Polymer- und Partikeldynamik fanden sie heraus, dass die Bakterien immer noch schneller schwammen, was darauf hindeutet, dass es eine andere Erklärung dafür geben muss, wie sich Bakterien durch dicke, komplexe Flüssigkeiten bewegen.

Die U of M-Forscher haben eine mögliche Antwort. Sie glauben, dass beim Schwimmen der Bakterien der Luftwiderstand, der durch das Passieren von Partikeln entsteht, es ihren Flagellen – oder den „Schwanz“-Bakterien, die diesen Spin haben, um sie vorwärts zu treiben – ermöglicht, sich besser an ihrem Körper auszurichten, was ihnen letztendlich hilft, sich schneller zu bewegen.

„Seit der Erfindung von Mikroskopen im 17. Jahrhundert sind die Menschen vom Schwimmen von Bakterien fasziniert, aber bis jetzt war das Verständnis meist auf einfache Flüssigkeiten wie Wasser beschränkt“, erklärt Shashank Kamdar, Hauptautor des Papiers und einer Universität von Student im Aufbaustudium des Chemieingenieurwesens in Minnesota. „Aber es ist immer noch eine offene Frage, wie sich Bakterien in realen Situationen bewegen, etwa durch Erde und Flüssigkeiten in ihren eigenen Lebensräumen.“

Das Verständnis, wie sich Bakterien durch komplexe, viskose Umgebungen bewegen – der menschliche Körper ist einer davon – kann Wissenschaftlern dabei helfen, Behandlungen für Krankheiten zu entwickeln und Bakterien sogar als Gefäße für die Abgabe von Medikamenten an Menschen zu verwenden.

„Es gibt mehrere Mechanismen, die Menschen verwendet haben, um dieses Phänomen im Laufe der Jahrzehnte zu erklären, aber mit dieser Studie liefern wir ein einheitliches Verständnis dafür, was passiert, wenn Bakterien durch komplexe Lösungen schwimmen“, sagte Xiang Cheng, leitender Autor des Papiers und außerordentlicher Professor in der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der Universität von Minnesota. „Und es ist wichtig zu verstehen, wie sich Bakterien in einer komplexen Umgebung bewegen. Zum Beispiel verursacht eine bestimmte Art von Bakterien Magengeschwüre. Die Magenschleimhaut ist eine viskose Umgebung, daher ist es wichtig zu untersuchen, wie sich die Bakterien in dieser Umgebung bewegen, um zu verstehen, wie sich die Krankheit ausbreitet .“

„Am Ende sollten wir alle von Bakterien lernen“, fügte Cheng hinzu. „Sie bewegen sich trotz Widerstand weiter.“

Neben Cheng und Kamdar gehörten zum Team Lorraine Francis, University of Minnesota College of Science and Engineering Distinguished Professor und 3M Chair in Experiential Learning, und Seunghwan Shin, graduierter Forscher vom Department of Chemical Engineering and Materials Science; und die Forscher des Beijing Computational Science Research Center, Premkumar Leishangthem und Xinliang Xu.