Filamentöse Cyanobakterien knicken ab einer bestimmten Länge ein, wenn sie auf ein Hindernis stoßen. Das hat die Forschungsgruppe von Stefan Karpitschka, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und Professor an der Universität Konstanz, herausgefunden. Ergebnisseerschienen in eLebenbilden eine wichtige Grundlage für die Nutzung von Cyanobakterien in der modernen Biotechnologie.
Cyanobakterien zählen zu den ältesten und wichtigsten Lebensformen der Welt – sie waren beispielsweise maßgeblich an der Produktion des Sauerstoffs in unserer Atmosphäre beteiligt. Manche Arten bilden lange Filamente aus, die aus wenigen bis über 1.000 Einzelzellen bestehen. In dieser Form können sich die filamentösen Bakterien fortbewegen.
Die Prinzipien dieser Fortbewegung wurden nun von einem Forschungsteam unter der Leitung von 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 bei der Fortbewegung an einzelnen filamentösen Bakterien gemessen“, beschreibt Erstautor Maximilian Kurjahn den Ansatz. „Dabei stellten wir fest, dass sie sich ab einer bestimmten Länge zu biegen beginnen, während kürzere Filamente gerade bleiben“, so Kurjahn weiter.
Die Forscher verwendeten dazu einen speziellen Mikrofluidik-Chip, bei dem die Bakterien durch Kanäle geleitet wurden und schließlich auf ein Hindernis trafen. Bei diesem Biegetest stellte sich heraus, dass die Fäden auf einer Länge von rund 150 Mikrometern zu knicken und zu knicken beginnen.
Kritische Länge ermöglicht Flexibilität des Systems
„Interessanterweise liegt auch die Länge der meisten Cyanobakterien in diesem Bereich“, berichtet Karpitschka. „Das heißt, schon geringe Veränderungen in der Länge einer Population verändern deren Bewegung. Das deutet auf einen natürlichen Kipppunkt hin, mit dem die Bakterien ihr Verhalten den äußeren Bedingungen anpassen.“
Die Bakterien scheinen sich durch Adhäsion an der Oberfläche fortzubewegen, da sie keine Flimmerhärchen oder andere äußere Propeller besitzen und höhere Kräfte eine höhere Reibung erzeugen.
Cyanobakterien nutzen Sonnenlicht als Energiequelle und bieten daher vielversprechende Anwendungen in der Biotechnologie. Als Bio-Solarkollektoren könnten sie beispielsweise zur Produktion von Biotreibstoff eingesetzt werden.
Aufgrund ihrer filamentartigen Struktur mit einer ähnlichen Dicke wie eine Kohlenstofffaser könnten sie auch in adaptiven Biomaterialien eingesetzt werden, bei denen sich die Form durch Licht verändern lässt. Ein besseres Verständnis ihrer Bewegungseigenschaften trägt daher zur technologischen Nutzung von Cyanobakterien bei.
Mehr Informationen:
Maximilian Kurjahn et al, Quantifizierung der Gleitkräfte filamentöser Cyanobakterien durch Selbstknickung, eLeben (2024). DOI: 10.7554/eLife.87450.3