Magneto-Aerotaxis bei magnetotaktischen Bakterien

• Antragsteller: Dr. Damien Faivre; Professor Dr. Stefan Klumpp
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253375392

Magnetotaktische Bakterien richten sich in Magnetfelder mit speziellen Organellen, den Magnetosomen, aus. Magnetosomen sind als Kette angeordnet, welche als Kompassnadel der Zelle fungiert. Dadurch wird das Schwimmen der Zellen, welches durch Flagellen angetrieben ist, vom Magnetfeld geleitet. Die Zellen können als selbstbewegte Kompassnadeln aufgefasst werden. Magnetotaxis ist eng mit der Bewegungsreaktion auf Sauerstoffgradienten (Aerotaxis) verküpft, da die Bakterien die vertikale Komponente des Magnetfelds der Erde benutzen, um zur oxisch-anoxischen Übergangszone am Grund von Gewässern zu navigieren. In diesem Projekt kombinieren wir theoretische und experimentelle Methoden und untersuchen magneto-aerotaktische Verhaltensweisen quantitativ, um das komplexe Zusammenwirken der Reaktionen auf Magnetfelder und Sauerstoffgradienten aufzuschlüsseln. Außerdem zielen wir darauf ab zu verstehen, wie die Anordnung des magnetischen Moments und Bewegungsapparats der Zelle dieses Zusammenwirken bestimmt. In der ersten Förderperiode haben wir mehrere vorher unbekannte magneto-aerotaktischen Verhaltensweisen entdeckt und mit einem theoretischen Modell klassifiziert, in welchem die Schwimmrichtung auf dem Sauerstoffgradienten oder auf dem Magnetfeld oder auf beiden beruht. Weiter haben wir Methoden entwickelt, um die dreidimensionale Bewegung einzelner Bakterienzellen experimentell und theoretisch zu untersuchen. In der zweiten Förderperiode werden wir diese Methoden kombinieren, um zu einem quantitativen Verständnis der Magneto-Aerotaxis und der zugrundeliegenden Schwimmeigenschaften zu gelangen. Wir werden die Bewegung einzelner Bakterien in 3d verfolgen (3d-Tracking) und für verschiedene Stämme und unter verschiedenen Bedingungen (verschiedene Sauerstoffkonzentration, homogen und mit Gradienten, verschiedene Stärke und Neigung des Magnetfelds) quantitativ charakterisieren (Geschwindigkeit, Rate und Winkel von Richtungsänderungen, Form der Trajektorien). Diese Ergebnisse werden in ein Modell für Magneto-Aerotaxis eingehen, welches auf aktiven Brownschen Teilchen mit mehreren internen Zuständen beruht. Mit diesem Modell werden räumliche Profile der Bakteriendichte in Sauerstoffgradienten (bei verschiedenen Magnetfeldstärken) vorhergesagt. Die Vorhersagen werden wir dann experimentell testen. Außerdem simulieren wir das Schwimmen von magnetotaktischen Bakterien mit verschiedener Zellarchitektur mit Stokesian Dynamics, um Einblick in die Koordination von Flagellen und den Einfluss der Ausrichtung der Flagellen relativ zum magnetischen Moment zu erhalten. Die Trajektorien aus diesen Simulationen werden mit experimentellen vom 3d-Tracking verglichen. Die Kombination unseres experimentellen Zugangs mit theoretischen Beschreibungen auf mehreren Ebenen wird zu einem umfassenden Bild der Magneto-Aerotaxis führen und auch allgemein die Integration verschiedener Signale für die gerichtete Bewegung von biologischen und synthetischen Mikroschwimmern beleuchten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten