Schwarmverhalten von Bakterien
"Schwärmen" ist für bewegliche Bakterien die schnellste Methode, um Oberflächen zu besiedeln. Das EU-finanzierte Projekt 3D SWARMING (Complex dynamics of swarming bacteria in three dimensions) lieferte neue und innovative Einblicke in mehrere Aspekte schwärmender Bakterien. Die Forscher untersuchten zunächst die kollektive Bewegung der gramnegativen Bakterien Serratia marcescens in einer dichten Kultur aus kugelförmigen Zellen. Dabei war zu beobachten, dass die Bakterien auf die Oberfläche von Kulturtropfen migrierten, die auf einer Glasplatte angelegt waren und sich dann mehrere Sekunden lang in korrelierten Strudeln und Strömen bewegten. Dies legt nahe, dass für kollektive Bewegungen von begeißelten Zellen nicht unbedingt sterische Kräfte nötig. Das Team untersuchte auf Agarplatten die Dynamik der stäbchenförmigen schwärmenden Bakterien Bacillus subtilis. Dann wurden auf mehrere Platten Antibiotika gegeben, um herauszufinden, wie der Schwarm auf Stress reagiert. Dabei war die Bewegung der Bakterien anders als bei anderen Formen von Stress wie Hunger, Trockenheit und Sauerstoffmangel. Ein mathematisches Modell zeigte, dass der Schwarm aus zwei Populationen besteht - nicht beeinträchtigten Zellen sowie Zellen mit gestörter Motilität, die durch das Antibiotikum Kanamycin verursacht wurde. Das unterschiedliche Schwarmverhalten war durch die Wechselwirkungen zwischen beiden Populationen zu erklären. Zudem analysierten die Wissenschaftler die Bahnen fluoreszenzmarkierter einzelner Bakterien, die im dichten Schwarm von ihren Nachbarn geschoben wurden. Dabei wurde Super-Diffusion bei den Zellen beobachtet, d.h. Bewegungen nach der Levy-Verteilung, bei der ein Wechsel zwischen langen geraden und kurzen zufälligen Bewegungen stattfindet. Somit könnte sich diese Strategie wesentlich früher entwickelt haben als bisher angenommen. Schließlich gaben Analysen der beiden unterschiedlichen stäbchenförmigen Spezies B. subtilis und S. marcescens Aufschluss über die Unabhängigkeit einer einzelnen Zelle innerhalb des Schwarms, die entweder der Strömung folgt oder selbst "entscheiden" kann, sich fortzubewegen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Bakterien in fast jede Richtung bewegen und sich nicht an der Strömung ausrichten. Unbewegliche Zellen, die im aktiven Schwarm mitgezogen wurden und der Strömung folgten, dienten als Tracer. 3D-SWARMING demonstrierte, wie bewegliche Zellen manövrieren können, um die Ausbreitung zu verstärken.
Schlüsselbegriffe
Bakterien, Schwarm, 3D SWARMING, Super-Diffusion, Levy-Verteilung
