Oberflächen verhindern Taumelbewegung von Bakterien

Bakterien können sich auf Oberflächen festsetzen und sogenannte Biofilme bilden, die etwa auf Körperimplantaten ein großes Infektionsrisiko darstellen. Wissenschaftler um Mehdi Molaei von der Texas Tech University haben nun untersucht, wie sich das schwimmende Bakterium Escherichia coli in der Nähe von Oberflächen verhält. Die hydrodynamischen Verhältnisse unterdrücken hier die typische Taumelbewegung, die Bakterien bei einer Richtungsänderung ausführen, so das Fazit der Forscher im Fachjournal „Physical Review Letters“. Daher kann ihnen das Taumeln nicht – wie bislang angenommen – nutzen, um der Oberfläche zu entkommen.

Bakterienkörper schematisch als Oval mit Härchen dargestellt. Oben: die Härchen sind zum Zopf gegen die vom Pfeil angezeigte Bewegungsrichtung gebündelt. Unten: die Härchen stehen radial. Kreisende Pfeile deuten die Taumelbewegung an.
Fortbewegung und Taumeln bei Bakterien

Escherichia coli besitzen einen sechs Mikrometer langen stäbchenförmigen Körper, umgeben von sogenannten Geißeln oder Flagellen. Das sind bewegliche, fadenartige Gebilde, die sich, zu einem nach hinten gerichteten Bündel geformt, wie ein Propeller drehen und so das Bakterium gerade vorwärts schieben können. Eine Richtungsänderung erfolgt in einem zweistufigen Prozess: Zunächst werden die Flagellen radial zum Bakterienkörper aufgestellt, dann entgegen der neuen Richtung gebündelt. In der ersten Phase des Richtungswechsels hebt sich die Zugwirkung der einzelnen Flagellen auf den Bakterienkörper im Mittel auf, wodurch das Bakterium in zufälliger Bewegung an einem Ort „taumelt“. Nähert sich ein Bakterium einer Oberfläche, erfährt es andere hydrodynamische Verhältnisse. Diese Strömungs- und Druckumstellungen sind vermutlich mitverantwortlich dafür, dass Bakterien mitunter an der Oberfläche haften bleiben.

Molaei und seine Kollegen überprüften nun, ob Bakterien vor dem Kontakt eventuell taumeln und umkehren können. Dafür nahmen sie bis maximal zweihundert Mikrometer von der Oberfläche entfernte Schwimmbahnen von rund dreitausend Escherichia coli auf. Die Daten aus dem bildgebenden Verfahren namens digitale holografische Mikroskopie zeigten: Schwammen die Bakterien näher als zwanzig Mikrometer an der Wand, taumelten sie nur halb so oft wie solche, die von ihr wegschwammen. Wenn nahe der Wand getaumelt wurde, dann wurden dadurch nur Bahnen parallel zur Wand und diese nur minimal korrigiert. „Diese Erkenntnisse implizieren, dass Taumeln keine effektive Strategie ist, dem Anhaften zu entkommen“, resümieren die Autoren. Ihre Modellrechnungen liefern eine Erklärung für das seltene Taumeln: Die in Wandnähe veränderten hydrodynamischen Verhältnisse erschweren es Escherichia coli ihre Flagellen radial auszuwickeln.

Das Verständnis der Prozesse könnte unter anderem für die Medizin relevant sein. „Zu verstehen wie sich Bakterien in der Nähe von Oberflächen verhalten, ist wesentlich für viele mikrobiologische Prozesse, darunter die Bildung von Biofilmen, bakterielle Dispersion und pathogene Infektionen“, so das Team.