Theoretische Biophysik: Abenteuerlustige Bakterien

Das Bakterium Bacillus subtilis ist wandelbar. Durch Flagellen bewegt es sich in Flüssigkeiten oder auf Nährböden. Alternativ kann es sich aber auch fest an einen Untergrund haften. In diesem Zustand teilen sich die Bakterien besonders effektiv. Sind sie hingegen sehr beweglich, vermehren sie sich mit einer deutlich niedrigeren Rate.

Um die eigene Kolonie aufrechtzuerhalten und zu vergrößern, benötigen Bakterien vor allem ausreichend Nährstoffe. Bewegen sie sich nur wenig von der Stelle, gehen ihnen diese bald aus. Abenteuerlustige Bakterien, die rasch in Richtung Nährstoff-Paradies schwärmen, vereinsamen hingegen.

Mit welcher Strategie haben die Organismen die besten Aussichten? Als Spezialist für Wachstum oder Wanderung? Oder als „Generalist“, der den Mittelweg einschlägt? Diese Frage haben Biophysiker um Erwin Frey, Lehrstuhlinhaber für Statistik und Biologische Physik, und Mitglied der Nanonsystems Initiative Munich (NIM) untersucht. „Wir haben ein spezielles mathematisches Modell entwickelt, in welchem diese Strategien gegeneinander antreten”, erläutert Matthias Reiter, Erstautor der Studie. “Und damit können wir belegen, dass die Generalisten am erfolgreichsten sind.”

Wettkampf im Modell

Praktische Versuche gibt es bisher nur für homogene Bakterienkulturen, deren Genom komplett identisch ist. Die Theoretiker berechnen erstmals das Verhalten heterogener Bacillus subtilis-Organismen. Dazu weisen sie jedem Bakterium der Anfangspopulation eine feste Mobilitätsrate zu, die dieses an seine Nachfahren weitergibt. Die Raten legen fest, welchen Zeitanteil die Organismen mit Fortbewegung oder aber Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung verbringen. Im simulierten Versuchsszenario werden Bakterien beispielsweise auf die Mitte einer Nährstoffplatte gegeben. Mit der Zeit verbrauchen sie dort die Nährstoffe und müssen sich in unbesiedeltes Terrain ausbreiten.

Das Modell zeigt, dass zu Beginn ein intensiver Wettkampf um die beschränkten Ressourcen am Rand des besetzten Gebiets stattfindet. Zunächst sind Individuen im Vorteil, die sich schnell vermehren und viel Platz einnehmen. Doch schon bald werden sie von den Kolonien der „Generalisten“ verdrängt, die ihre Zeit gleichmäßig auf Migration und Fortpflanzung aufteilen. Sie breiten sich nach und nach in Form von Sektoren aus.

Die Münchner Theoretiker erklären dies mithilfe der Invasionsgeschwindigkeit von sogenannten Fisher-Fronten, die im Fall der Balance am höchsten ist. Zunächst bilden die Kolonien mit der Mittelweg-Strategie einzelne Sektoren, bis sie später die komplette Invasionsfront einnehmen

„Um unsere Theorie mit der Praxis abzugleichen, möchten wir unsere Ergebnisse in Kooperation mit Biologen experimentell überprüfen“, schaut Erwin Frey in die Zukunft. „Möglich wäre es auch, das Modell auf komplexere Ökosysteme zu erweitern. Denn es lässt sich grundsätzlich auf alle Ausbreitungsphänomene übertragen, bei denen Wachstum und Beweglichkeit komplementäre Eigenschaften sind.“

Publikation:
Matthias Reiter, Steffen Rulands, Erwin Frey
Range Expansion of Heterogeneous Populations
Phys. Rev. Lett. 112, 148103 (2014)
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.148103

Ansprechpartner:
Prof. Erwin Frey
Arnold-Sommerfeld-Center for Theoretical Physics
Ludwig-Maximilians-Universität (LMU)
E-Mail: frey@lmu.de
Tel.: 089 / 2180 – 4538

Matthias Reiter
E-Mail: Reiter.Matthias@physik.uni-muenchen.de

Dr. Steffen Rulands
E-Mail: Steffen.Rulands@physik.uni-muenchen.de