Forscher der Universität Innsbruck haben gemeinsam mit verschiedenen internationalen Institutionen die Bewegungsmuster des Bakteriums Escherichia coli beschrieben. Dazu nutzten sie einen manipulierten Bakterienstamm, Experimente unter dem Mikroskop und komplizierte Funktionen.
Escherichia coli ist eines der bekanntesten Bakterien der Welt. Es kommt nicht nur reichlich in unserem Darm vor, sondern ist auch ein beliebter Modellorganismus in der Forschung. Unter dem Mikroskop sind E. coli-Bakterien als Stäbchenbündel zu erkennen, die ständig in Bewegung sind.
Die genaue Form dieser Bewegung haben nun mehrere Teams in einem internationalen Forschungsprojekt untersucht. Wissenschaftler züchteten einen neuen Bakterienstamm, dessen Bewegungen kontrolliert werden können, und verglichen experimentelle Daten mit einem physikalischen Modell, das die Bewegungsmuster von E. coli über lange Zeiträume beschreibt. Dieses Modell wurde durch die experimentelle Studie bestätigt.
Der Vergleich von Experiment und Theorie anhand einer Zwischenstreufunktion ist die Leistung der Tiroler Wissenschaftlerin Christina Kurzthaler. Diese Arbeit begann im Rahmen ihrer Doktorarbeit in der Forschungsgruppe von Thomas Franosch am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.
Kurzthaler ist eine der Erstautorinnen der Studie und leitet heute ihre eigene Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden. Ihre Arbeit war einfach veröffentlicht als Editor’s Pick in Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Schwimmen und Taumeln
In der Biophysik wird die Bewegung von E. coli durch das „Run-and-Tumble“-Modell beschrieben. Mit Hilfe vieler kleiner Geißeln schwimmen die Bakterien in eine bestimmte Richtung. Ab einem bestimmten Punkt geht die Bewegung in Taumeln über und die Bakterien ändern ihre Richtung. Dieses charakteristische Verhalten ist seit langem bekannt, konnte jedoch bisher nicht genau beschrieben werden, da kaum gemessen werden konnte, wie lange die Bakterien schwimmen, bevor sie zu taumeln beginnen.
„E. coli-Bakterien schwimmen in einer Lösung, das heißt, sie bewegen sich sehr schnell im dreidimensionalen Raum. Diese Bewegung ist schwer zu messen, da dafür viele Daten erforderlich sind“, sagt Kurzthaler. „Die Verfolgung einzelner Bakterien über einen längeren Zeitraum ist sehr zeitaufwändig und erfordert spezielle experimentelle Instrumente.“
Das Taumelverhalten ist für das Bakterium sehr wichtig. E. coli nutzt es zur Nahrungssuche oder zur Flucht vor giftigen Substanzen. „Die Kenntnis dieses Verhaltens im Detail eröffnet viele neue experimentelle Möglichkeiten“, sagt Kurzthaler.
Bestätigung durch Streufunktion
Um die Bewegungsprozesse genau zu charakterisieren, haben Partnergruppen chinesischer Forschungseinrichtungen einen manipulierten E. coli-Stamm entwickelt, bei dem die Häufigkeit des Taumelns verringert oder erhöht werden kann, wenn er in bestimmten chemischen Lösungen gezüchtet wird.
Eine Gruppe an der Universität Edinburgh führte Experimente mit diesen Bakterien durch und machte zu mehreren Zeitpunkten mikroskopische Bilder der gesamten Bakterienpopulation. Anschließend analysierten die Innsbrucker Forscher die gesammelten Daten mithilfe einer von Kurzthaler entwickelten Zwischenstreufunktion, die indirekt die Verteilung der Bakterien in Raum und Zeit misst und Aufschluss über ihre Dynamik gibt.
Dadurch war es möglich, verschiedene Daten über lange Zeiträume zu berechnen, beispielsweise die Geschwindigkeit der Bakterien und die Dauer ihres Taumelns. Das Ergebnis war eine detaillierte Beschreibung der Bewegung von E. coli-Bakterien im dreidimensionalen Raum.
„Das Run-and-Tumble-Modell an sich ist nicht neu“, sagt Franosch. „Unser Ansatz, eine Bewegung im Raum mit numerischen Lösungen am Computer zu berechnen, ist. Das ist in anderen Bereichen wie der Festkörperphysik bereits gängige Praxis, in der Biophysik ist es jedoch eine Innovation.“
„Und das Ergebnis ist etwas Faszinierendes: dass dieses wirklich einfache Run-and-Tumble-Modell die Bewegung von 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 so präzise durch Experimente bestätigt werden kann.“
Mehr Informationen:
Christina Kurzthaler et al, Charakterisierung und Kontrolle der Run-and-Tumble-Dynamik von Escherichia coli, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.038302