Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biofilme generieren ihre Nährstoffversorgung selbst

12.12.2018

Interdisziplinäre Forschung zwischen Hydrodynamik und Biophysik

Ein internationales Physikerteam von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), aus den USA und Chile untersuchte und modellierte, wie sich Biofilme mit Nährstoffen versorgen. Daraus können die Forscher Strategien ableiten, wie gefährlichen Biofilmen die Nahrungsversorgung abgeschnitten werden kann. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters.


Bewegungsmuster auf einem ebenen Biofilm (blau-rot gefärbt) und dadurch erzeugte Flusslinien vom Lösungsmittel (blau), die für den Transport von Nährstoffen (bunte Kugeln) sorgen.

Stanford University / Arnold J. T. M. Mathijssen

„Biofilme“ sind schleimig-glitschige Beläge von Mikroorganismen, die sich auf Gegenständen, aber auch Gewebe ablagern. Handelt es sich bei den Mikroorganismen zum Beispiel um Bakterien, bergen diese Biofilme unter Umständen erhebliche Gesundheitsgefahren.

Solche Biofilme können etwa bakterielle Zahnbeläge sein, die zu Karies und Parodontitis führen. Doch so einfach ist das Leben der Mikroorganismen in den Filmen nicht, denn sie benötigen Nährstoffe.

In einer weltumspannenden Kooperation haben Physiker vom Institut für Theoretische Physik II der HHU, aus Stanford (USA), Argonne (USA) und Santiago de Chile untersucht, wie die Mikroorganismen ihre Nährstoffversorgung sicherstellen können.

Dazu haben sie betrachtet, welche Bewegungsstrategien die einzelnen Bakterien ausführen müssen, um so eine Strömung zu erzeugen. Der entstehende Wasserfluss sollte dann gleichsam automatisch die Nährstoffe zu ihnen herantragen und die Bakterien optimal versorgen. Dazu haben die Forscher eine umfangreiche mikro-hydrodynamische Theorie entwickelt und für verschiedene Bewegungstypen analysiert.

„Führen alle Bakterien die gleichen Bewegungen aus, führt das zum Stillstand des Wasserflusses und damit zu ihrem sicheren Hungertod", so Prof. Dr. Hartmut Löwen, HHU-Physiker und Mitautor der Studie.

Diversität oder Inhomogenität in den Bewegungen erzeugt dagegen wie von selbst eine weitreichende und zum Biofilm hingerichtete Strömung, über die dann Nährstoffe herangetragen werden.

Durch Musterbildung auf den Biofilmen kann der Zufluss gesteuert werden. Dabei entdeckten die Wissenschaftler ein verblüffend einfaches Baukastenprinzip, mit dem man systematisch Flüsse überlagern kann. Die Ergebnisse ihrer Berechnungen stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters vor.

Das über Nährstoffversorgung entscheidende Flussfeld ist normalerweise nicht direkt sichtbar. „Deswegen“, so Prof. Löwen, „wollten wir es durch unsere Rechnungen sichtbar machen. Wir stießen dabei auf ein allgemeines Prinzip, welches ein hohes Anwendungspotential besitzt.“

Denn über die Störung des Zuflusses kann es gelingen, Bakterienkolonien ohne Gift zu zerstören. Andererseits erreicht man bei gewünschten Biofilmen durch intelligente Kooperation der Mikroorganismen eine weitflächige Nahrungsmittelversorgung.

Dieses Prinzip ist nicht auf Bakterien beschränkt, sondern es gilt auch für Mikroroboter oder „künstliche Schwimmer“ – letztere sind Partikel, die sich mittels Brennstoffen in Bewegung setzen können und zum Beispiel potenziell dazu verwendet werden können, um Medikamente im menschlichen Körper zu einem gewünschten Zielort zu transportieren.

Originalpublikation:

A. J. T. M. Mathijssen, F. Guzman-Lastra, A. Kaiser, H. Löwen, Nutrient transport driven by microbial active carpets, Physical Review Letters 121, 248101 (2018).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.248101

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hhu.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Nicht so stabil wie gedacht: UDE-Forscher testen gängiges Flammschutzmittel
10.01.2019 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Wie Hirnregionen einander zuhören
02.01.2019 | Universität zu Lübeck

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Ten-year anniversary of the Neumayer Station III

The scientific and political community alike stress the importance of German Antarctic research

Joint Press Release from the BMBF and AWI

The Antarctic is a frigid continent south of the Antarctic Circle, where researchers are the only inhabitants. Despite the hostile conditions, here the Alfred...

Im Focus: Ultra ultrasound to transform new tech

World first experiments on sensor that may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles

The new sensor - capable of detecting vibrations of living cells - may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles.

Im Focus: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Smarte Sensorik für Mobilität und Produktion 4.0 am 07. Februar 2019 in Oldenburg

18.01.2019 | Veranstaltungen

16. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

17.01.2019 | Veranstaltungen

Erstmalig in Nürnberg: Tagung „HR-Trends 2019“

17.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zeitwirtschafts- und Einsatzplanungsprozesse effizient und transparent gestalten mit dem Workforce Management System der GFOS

18.01.2019 | Unternehmensmeldung

Der Schlaue Klaus erlaubt keine Fehler

18.01.2019 | Informationstechnologie

Neues Verfahren zur Grundwassersanierung: Mit Eisenoxid gegen hochgiftige Stoffe

18.01.2019 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics