Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ferngesteuerte Mikroschwimmer: Jülicher Physiker simulieren Bewegungen von Bakterien an Oberflächen

22.05.2015

Manche Bakterienarten fangen in der Nähe von Oberflächen an zu kreisen, ähnlich wie ein Fahrzeug, dessen Räder auf einer Seite von der Fahrbahn abkommen. Wie eng und in welcher Richtung die Bakterien ihre Kreise ziehen, hängt von der Gleitfähigkeit der Oberfläche ab, wie Jülicher Physiker mithilfe von Computersimulationen ermittelt haben. Die Berechnungen zeigen auch, wie sie sich durch modifizierte Oberflächen auf eine gerade Bahn lenken lassen. Diese Erkenntnis könnte nützlich sein, um verschiedene Bakterienarten für biomedizinische Untersuchungen voneinander zu trennen. (Scientific Reports, DOI: 10.1038/srep09586)

Salmonella typhimurium und Escherichia coli sind als Krankheitserreger bekannte Darmbakterien. Sie und verwandte Einzeller werden aufgrund ihrer Form auch "Stäbchenbakterien" genannt. In ihrer Zellwand sind zahlreiche korkenzieherartig geformte Proteinfäden verankert, die Flagellen.


Illustration der kreisförmigen Bewegung von Bakterien, wie Escherichia coli, in der Nähe einer Oberfläche.

Copyright: Forschungszentrum Jülich (CC BY 4.0)

Jedes Flagellum besitzt einen eigenen Motor, der es in Drehung versetzt, und die Bakterien ähnlich wie durch eine Schiffsschraube vorwärts bewegt. Doch nicht nur das, daneben rotieren auch die zylinderförmigen Bakterienkörper selbst, und zwar entgegengesetzt zu den geißelförmigen Fortsetzen.

Ursache für die krummen Bahnen in der Nähe der Oberfläche sind Scherkräfte, die durch Geschwindigkeitsunterschiede in der Flüssigkeit zwischen bewegtem Einzeller und ruhender Oberfläche hervorgerufen werden. Theoretische Physiker des Forschungszentrums Jülich haben nun mithilfe mesoskopischer Computersimulationen eine Formel gefunden, mit der sich diese Bewegung der Bakterien exakt vorhersagen lässt. Das Forschungsprojekt wurde von der Volkswagenstiftung finanziell unterstützt.

"Wir konnten zeigen, dass die Bewegung der Mikroschwimmer direkt von der Gleitfähigkeit der Oberfläche abhängt, welche die resultierende Scherkraft maßgeblich beeinflusst", erläutert Prof. Dr. Roland Winkler vom Institutsbereich Theorie der Weichen Materie und Biophysik. "Bei Luft beispielsweise ist die Gleitfähigkeit maximal, bei einer festen Oberfläche wie Glas minimal." Dies erklärt, warum Escherichia coli an festen Oberflächen meist im Uhrzeigersinn schwimmen, an einer Wasser-Luft-Grenze jedoch gegen den Uhrzeigersinn, wie schon vor einigen Jahren beobachtet worden war.

Die Forscher testeten außerdem mit Simulationen, ob sich die Drehrichtung nicht nur vorhersagen, sondern auch beeinflussen lässt. "Gestreifte Oberflächen mit wechselnder Gleitfähigkeit können bewirken, dass sich die Mehrzahl der Mikroschwimmer geradeaus statt im Kreis fortbewegen", berichtet Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Institute of Complex Systems und am Institute of Advanced Simulation. "Die erforderliche Präzision bei der Gestaltung der Streifen ist dabei nicht einmal besonders hoch, sodass solche Oberflächen im Labor auch experimentell herstellbar sein sollten, um Bakterien verschiedener Arten oder Größen zu separieren."

Originalveröffentlichung:
Physical Sensing of Surface Properties by Microswimmers – Directing Bacterial Motion via Wall Slip;
Jinglei Hu, Adam Wysocki, Roland G. Winkler, Gerhard Gompper;
Scientific Reports, DOI: 10.1038/srep09586, 20 May 2015 (Web)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Gerhard Gompper, Forschungszentrum Jülich, Institute of Complex Systems und Institute for Advanced Simulation - Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2/IAS-2), Tel. 02461 61-4012, E-Mail: g.gompper@fz-juelich.de

Prof. Dr. Roland G. Winkler, Forschungszentrum Jülich, Institute of Complex Systems und Institute for Advanced Simulation - Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2/IAS-2), Tel. 02461 61-4220, E-Mail: r.winkler@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-05-22mikros...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie