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Mikrobiologie: Laufrad für Bakterien

Bewegung durch Flagellen
Eine Haltevorrichtung aus Laserstrahlen ermöglicht es, Bakterien auf der Stelle schwimmen zu lassen und so ihre Bewegungen im Detail zu beobachten. Die Konstruktion erdachten Physiker um Ido Golding von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Anders als in ähnlichen Versuchen überleben die Mikroben die Prozedur bis zu eine Stunde lang und können ihre Schwimmfortsätze dabei frei bewegen [1].

Damit die Bakterien ihre eingeschränkte Freiheit möglichst wenig wahrnehmen, bewegt sich die Flüssigkeit um sie herum passend zu ihren Schwimmversuchen. Die Haltelaser dienen hierzu gleichzeitig als Messfühler und nehmen die Bewegungen des Zellkörpers wahr. Zusätzlich liefern Mikroskope in jeder Sekunde 100 Bilder der Abläufe.

Bewegung durch Flagellen | Bakterien der Art Escherichia coli kommen unter anderem im menschlichen Darm vor. Sie bewegen sich aktiv durch eine Vielzahl an propellerartigen Fortsätzen. Dabei können sie gezielt auf Nahrungsquellen zu- oder von Gefahren fortsteuern.
Golding und seine Kollegen untersuchten Darmbakterien der Art Escherichia coli, deren Antrieb aus gewundenen Eiweiß-Fortsätzen besteht. Diese Flagellen drehen sich und wirken wie Propeller. Die Wissenschaftler zeigten, dass die Organismen rund alle vier Sekunden zwischen zwei Schwimmarten wechseln: erstens einer schnellen geraden Bewegung, bei der sich alle Flagellen in dieselbe Richtung drehen und einen gemeinsamen Schweif bilden, sowie zweitens einer Taumelbewegung, bei der die Flagellen nicht synchron arbeiten und dem Zellkörper eine zufällige neue Richtung geben. Nehmen die Bakterien Stoffe wie Säuren wahr, brechen sie ihre gerade Bewegung frühzeitig ab und weichen so der Gefahr aus. Außerdem scheinen viele von ihnen bevorzugt mit einem ihrer Enden voranzuschwimmen.

Die Halterung für die E. coli bestand aus zwei gebündelten Laserstrahlen, die auf beide Enden der länglichen Mikroben zielten und diese nur durch den Druck der Lichtteilchen festhielten. Solche "optischen Pinzetten" schädigen für gewöhnlich lebende Zellen, da sie stark reagierende Sauerstoffradikale erzeugen [2]. In einer sauerstoffarmen Lösung konnte Goldings Team die Bakterien am Leben erhalten, so dass nun auch der Mikrobiologie ein Bewegungssimulator zur Verfügung steht. Schon seit Jahren lassen Verhaltensforscher Insekten mit Hilfe von Drähten auf der Stelle fliegen und testen so ihre Reaktionen auf Reize. (rs)

Bakterium schwimmt auf der Stelle

Ein gefangenes Bakterium schwimmt auf der Stelle

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Gefangenes Bakterium

Optische Doppelpinzette hält Bakterium fest.

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  • Quellen
[1] Min, T. L. et al.: High-resolution, long-term characterization of bacterial motility using optical tweezers. In: Nature Methods 10.1038/nmeth.1380, 2009.
[2] Neuman, K. C. et al.: Characterization of Photodamage to Escherichia coli in Optical Traps. In: Biophysical Journal 77, S. 2856–2863, 1999.

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