Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Theoretische Biophysik: Abenteuerlustige Bakterien

15.04.2014

Für Nachwuchs sorgen oder die Welt erobern? Vor dieser Frage stehen auch Bakterien. Wie sie sich entscheiden sollten, um ihre Art optimal zu erhalten, haben jetzt Physiker der LMU berechnet.

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

Luise Dirscherl | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält
22.05.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus
22.05.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie