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News: Bakterien spinnen

Neue Aufgaben für Bakterien: Als Produzenten von Cellulose-Fäden könnten Bakterien Bauarbeiten im Nanomaßstab durchführen und zum Beispiel Oberflächen winziger Maschinen beschichten.
Das Bakterium Acetobacter xylinum hat sich unter Biochemikern aufgrund einer bemerkenswerten Eigenschaft einen Namen gemacht: Es produziert hauchdünne Fäden aus Cellulose. Bisher galt das Forschungsinteresse eher den molekularbiologischen Prozesse der Cellulose-Synthese, da man diese in einem einzelligen Bakterium besser beobachten kann als in einem erwachsenen Baum.

Tetsuo Kondo und seine Kollegen des japanischen Forestry and Forest Products Research Institute in Ibaraki hatten allerdings einen anderen Verwendungszweck im Sinn: Sie widmeten sich eben jenen hauchdünnen Fäden, die das Bakterium spinnt, mit dem Ziel, winzige geordnete Strukturen zu erzeugen – in mikrobieller Maßanfertigung.

Genau betrachtet scheidet das Bakterium aus parallel zur Längsachse liegenden Poren kleinste Cellulose-Kristalle aus, die sich sofort zu einer festen, etwa 500 Nanometer dünnen Mikrofibrille zusammenlagern. A. xylinum stößt sich dann daran ab und bewegt sich – aufgrund der Anordnung der Poren – spiralförmig vorwärts. Der Faden zieht dabei hinter dem Bakterium her wie der Kondensstreifen hinter einem Düsenflugzeug.

Kondo und seine Kollegen wollten den Mikroorganismus nun dazu zu bringen, einen gestreckten Faden zu spinnen. Als Orientierungshilfe boten die Forscher dem Bakterium einen noch dünneren Cellulose-Faden von gerade mal 0,5 Nanometer Durchmesser, den sie auf eine Kupferoberfläche auftrugen. Sobald A. xylinum auf diese Vorlage stieß, sollte es sich daran entlang fortbewegen und den Faden mit seinem eigenen "verstärken".

Dass sie diese Theorie auch in die Tat umsetzen konnten, zeigen die Videoaufnahmen einer Kamera, mit der sie den Versuch dokumentierten: Das Bakterium bewegt sich kerzengerade an der Schiene entlang und scheidet den Cellulose-Faden hinter sich aus. An einem bestimmten Punkt, wo die Schiene offenbar einen kleinen Defekt aufweist, gerät es zunächst leicht ins Schlingern, bis es dann ganz aus der Spur gerät und in seiner "natürlichen" – spiralförmigen – Bewegung immer enger werdende Kreise zieht. Die Geschwindigkeit beträgt dabei knapp fünf Mikrometer in der Minute, was immerhin fast der Zellgröße des Bakteriums entspricht.

In weiteren Tests experimentierten die Wissenschaftler mit Schienen aus chemisch leicht veränderten Cellulose-Varianten, wobei sich die normale Cellulose aber doch als am besten geeignet erwies. Entscheidend dafür sind, Kondos Angaben zufolge, bestimmte senkrecht aus der Matrix emporstehende Hydroxyl-Gruppen, welche die Krümmung der Mikrofibrille verhindern und sie so gestreckt halten.

Auch wenn konkrete Anwendungen noch in weiter Ferne liegen, schweben den Forschern schon verschiedene Möglichkeiten vor: So könnten die Bakterien zum Beispiel die Oberfläche von winzigen Nanomaschinen beschichten oder womöglich sogar in der Wundheilung eingesetzt werden. Da die Bakterien nur in der wässrigen Umgebung ihres Nährmediums arbeiten, könne man das zu beschichtende Gebiet auch leicht über die Benetzung der Oberfläche kontrollieren.

Darüber hinaus denken die Wissenschaftler auch daran, das Bakterium genetisch zu verändern. Da die Cellulose, welche aus aneinander gereihten Glucosemolekülen besteht, leicht biologisch abbaubar ist, könnte man den Mikroorganismus so dazu bringen, andere Zucker als Polymerbausteine zu verwenden – der Faden wäre dadurch stabiler.

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