Tauziehen um den richtigen Kurs

Bakterien sind sehr einfach strukturiert. Im Gegensatz zu Tieren besitzen diese einzelligen Organismen kein Nervensystem und keine Sinnesorgane. Wie schaffen sie es dennoch, einen strategisch günstigen Kurs zu halten und in eine bestimmte Richtung zu steuern?

Wissenschaftler haben nun die Bewegung jenes Bakteriums, das unter anderem Tripper und Bindehautentzündung auslösen kann, unter die Lupe genommen. „Dieses Bakterium bewegt sich mithilfe einer Reihe spezieller 'Enterhaken' fort, die über seine Oberfläche verteilt sind. Wir vermuten, dass dabei eine Art Tauziehen stattfindet – die stärkere Seite gewinnt“, erklärt Doktorandin Claudia Holz. Sie gehört zum Team von Prof. Dr. Berenike Maier vom Institut für Molekulare Zellbiologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). An der Studie beteiligt sind zudem Wissenschaftler um Prof. Dr. Alexander Schmidt vom Institut für Infektiologie der WWU sowie ein Forscher aus Oslo, Norwegen.

Krankheitserregende Bakterien haften ihrem Wirt fest an. Gleichzeitig müssen sie beweglich sein, um dessen Oberfläche – zum Beispiel menschliche Schleimhäute – zu besiedeln. Hierzu hat der Tripper-Erreger Neisseria gonorrhoeae wie viele andere Bakterienarten molekulare „Enterhaken“ entwickelt, sogenannte Pili. Diese fungieren als Motoren, die das Bakterium über Oberflächen ziehen können. Sie haften sowohl an menschlichen Zellen als auch an Oberflächen wie Glas oder Plastik. „Der Trick besteht darin, dass die Länge der Pili dynamisch ist. Das Bakterium kann sie verlängern und wie Enterhaken an eine Oberfläche ankleben. Durch anschließende Verkürzung werden sehr hohe Kräfte auf den Zellkörper erzeugt, wodurch das Bakterium über die Oberfläche gezogen wird“, erklärt Berenike Maier.

Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass bis zu 20 zufällig auf der Bakterienoberfläche verteilte Pili Einfluss auf die Bewegung eines Bakteriums nehmen können. „Es ist als würde ein Schiff versuchen, sich mit Enterhaken an mehrere umliegende Schiffe gleichzeitig heranzuziehen“, erklärt Berenike Maier. Dennoch kann das Bakterium seine Bewegungsrichtung für eine gewisse Zeit beibehalten. Je mehr Pilus-Motoren beteiligt sind, desto geradliniger ist die Bewegung sogar. Um diesem scheinbaren Widerspruch zu lösen, haben die Forscher mittels einer sogenannten optischen Pinzette die Kraft bestimmt, die das Bakterium aufbringen muss, um einen „Enterhaken“ von der Oberfläche abzulösen. Diese ist etwa zehnfach niedriger als die Kraft, die ein ziehender 'Enterhaken' erzeugt. „Das bedeutet: Die Seite, auf der die meisten Pilus-Motoren ziehen, gewinnt“, sagt Berenike Maier. Die „Enterhaken“ auf der schwächeren Seite reißen vorübergehend ab, bis sie sich wieder an die Oberfläche anheften.

Die Bakterien bewegen sich dank des „Tauziehens“ also nicht völlig zufällig oder ungerichtet, sondern zeigen wie viele Tiere die Tendenz, die jeweils gegenwärtige Bewegungsrichtung eine Weile beizubehalten. „Das führt auf kurzen Zeitskalen zu geradlinigen Abschnitten in einer ansonsten zufälligen Bewegung“, erklärt Berenike Maier. „Wir vermuten, dass solch ein Bewegungsmodus als Strategie zum Auffinden geeigneter Nahrungsquellen oder zum Besiedeln eines Wirtes sehr effizient ist.“

Literatur: Holz et al. 2010: Multiple pilus motors cooperate for persistent bacterial movement in two dimensions. Physical Review Letters 104/17; DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.178104