Mikroorganismen überwinden als aktive Schwimmer sogar Hindernisstrecken – sobald genügend von ihnen beisammen sind

Bakterien in Teamarbeit

Princeton (USA) - Mit genügend Verstärkung kann ein Bakterium auch Hindernisse durchschwimmen, an denen es allein scheitert: Diese Stärke der Masse konnten US-Physiker jetzt im Experiment nachweisen und damit die Theorie bestätigen. Sie setzten typische Darmbakterien, Escherichia coli, in einem mikroskopischen Kanal aus einzelnen, nur durch kleine Öffnungen verbundenen Kammern aus. Einzeln oder in kleiner Zahl gelang es den Mikroorganismen nicht, aus der ersten Kammer herauszukommen. Doch stieg ihre Menge auf rund 1000 Stück, so "schwappten" sie quasi in Gruppen von Kammer zu Kammer und legten die gesamte Strecke des Mikrokanals in etwa zwei Stunden zurück. Dies zeigt, dass Mikroorganismen aktiv zusammenarbeiten können, schreiben die Forscher im Fachblatt "Physical Review Letters". Die Bestätigung der Theorie könnte verstehen helfen, wie die Organismen sich unter beengten Platzverhältnissen ausbreiten, etwa im menschlichen Darm.

"Wir zeigen, dass eine Gruppe von Bakterien entgegen trichterförmigen Hindernissen wandern kann, indem sie ein chemisch anziehendes Gefälle errichtet und aufrechterhält", schreibt das Team um Robert Austin von der Princeton University. Die Forscher hatten die rund zwei Mikrometer langen Bakterien in einem mit Nährlösung gefüllten Mikrokanal schwimmen lassen, etwa 100 Mikrometer breit und rund 13 Millimeter lang. Seine 85 Kammern waren durch dünne Wände mit einer trichterförmigen Öffnung getrennt, welche in der Gegenrichtung das Vorwärtskommen massiv erschwert, weil exakt die Öffnung zu treffen ist. Die stäbchenförmigen Escherichia coli sind typische Bewohner des Dickdarms in warmblütigen Lebewesen. Sie bewegen sich mithilfe von Schwimmgeißeln, so genannter Flagellen, aktiv vorwärts. Oft wird die Richtung durch eine Chemotaxis bestimmt: durch das Gefälle von Lock- oder Schreckstoffen, die die Bakterien anziehen oder abstoßen.

Im Experiment setzten Austin und Kollegen zunächst einzelne Kolibakterien in jene Endkammer, in der die Trichteröffnung das Herauskommen behinderte. Bei weniger als 200 Stück gelang es zwar einzelnen der Mikroorganismen, die erste Kammer zu verlassen, doch kein einziger schaffte es bis ans Ende des Kanals. In größeren Mengen jedoch formten die Bakterien eine Art "Wandergruppen", die zusammen den Weg ans andere Ende bewältigte. Bei rund 1000 Stück dauerte dies etwa 120 Minuten.

Die Forscher glauben, dass diese Gruppentaktik darauf beruht, dass die Bakterien ihre Umwelt beeinflussen und ein Lockstoff-Gefälle entstehen lassen: Indem sie die Nährstoffe ihrer direkten Umgebung verzehren, entsteht ein Konzentrationsgefälle zur Nachbarschaft, wo noch Nährstoffe bereitstehen - der Hunger treibt, die Nahrung lockt die Bakterien aktiv in die nächste Kammer. Mit ihrem Experiment bestätigen die Physiker erstmals ein Modell aufgrund der Keller–Segel-Gleichungen, die vor vier Jahrzehnten aufgestellt wurden, um die Wirkung der Chemotaxis auf die Wanderbewegungen von Mikroorganismen in Kapillarröhren zu erklären. Die Gleichungen sagen ein exponentielles Gefälle der Bakterienzahl als Funktion der Kanalstrecke vorher - wie im Experiment geschehen. Ebenso zeigte sich oberhalb einer bestimmten Konzentration, dass die Chemotaxis die Bakterien quasi in Wellen durch den Kanal treibt - wie von den Gleichungen bestimmt.

Das natürliche Umfeld von Mikroorganismen, etwa das Darmgewebe, umfasst eine Vielfalt von asymmetrischen Hindernissen, so dass ein solches Wandern in großen Gruppen in biologischen Systemen vermutlich häufig vorkomme. Möglicherweise sei es auch kein "Scheitern", wenn kleine Gruppen nicht über ein Hindernis hinausgelangten, sondern ein "Erfolg", weil sie bis zur ausreichenden Vermehrung geschützt blieben.