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Wie viel Kraft produzieren Bakterien? Es wurde jetzt gemessen
Bakterien wandern mit einer Reihe merkwürdiger ambulanter Mechanismen. Diese Migrationen ermöglichen es ihnen, Beute zu folgen, Biofilme zu bilden und sich einfach zu aggregieren.
Und das wirft eine merkwürdige Frage auf. Wie viel Kraft erzeugen Bakterien angesichts dieser Fähigkeit, sich zu bewegen, wenn sie sich bewegen? Mit anderen Worten, wie stark können sie pushen?
Heute erhalten wir dank der Arbeit von Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass und Howard Stone von der Princeton University eine Antwort. Diese Jungs haben eine Methode entwickelt, um die winzigen beteiligten Kräfte zu messen, und zeigen, dass Bakterien beim Drücken und Schieben weit über ihrem Gewicht schlagen.
Eine typische Bakterienzelle ist nur wenige Mikrometer lang und hat eine Masse im Bereich von 10-15 Kilogramm. Unter der Schwerkraft würde eine einzelne Zelle eine Kraft von etwa 10 Femtonewton ausüben. Das ist keine leicht zu messende Kraft.
Shaevitz und Co versuchen es mit einer Technik, die als Traktionskraftmikroskopie bekannt ist. Dem liegt die Beobachtung zugrunde, dass Bakterien jedes weiche Material um sich herum verformen, wenn sie sich bewegen. Durch die Messung dieser Verformungen ist es also möglich, die dahinter stehenden Kräfte zu berechnen.
Das Experiment besteht darin, die Bakterien auf ein weiches, gelartiges Material zu legen und sie dann mit einem Mikroskop zu fotografieren, während sie sich bewegen. Bei dem Material handelt es sich um eine dünne Schicht aus weichelastischem Gel aus Chitosan-beschichtetem Polyacrylamid. Dieses hat gut charakterisierte Materialeigenschaften, die es einfach machen, zu berechnen, wie viel Kraft erforderlich ist, um es zu verformen.
Aber wenn Verformungen klein sind, sind sie schwer zu sehen. So enthält das Gel auch Mikrokügelchen in zwei verschiedenen Farben, die sich bewegen, wenn sich das Material verformt, und besser sichtbar sind. Wenn sich Zellen über die Oberfläche bewegen, kann jede Positionsänderung der Mikroperlen verwendet werden, um die Verformungen zu berechnen, die diese Bewegung verursacht.
Shaevitz und Co. führen ihre Experimente durch Myxococcus xanthus Bakterien, die sich mit zwei unterschiedlichen Mechanismen fortbewegen. Die erste ist eine Art Gleitbewegung, bei der die Zellmembran in Kontakt mit der Oberfläche wie eine Panzerkette wirkt, wenn sich das Lebewesen bewegt. Eine einzelne Gleitzelle erzeugt Kräfte von wenigen Piconewton (10-12 Newton), was kaum ausreicht, um das Gel zu verformen. Wir schließen daraus, dass das Gleiten einzelner Zellen ein reibungsarmer Vorgang ist, der die Umgebung mechanisch kaum beeinflusst, sagen Shaevitz und Co.
Jedoch, Myxococcus xanthus haben eine andere, kraftvollere Art sich zu bewegen. Dies ist eine Art Greifhakenmechanismus, bei dem jede Zelle kleine haarähnliche Ausstülpungen, sogenannte Pili, produziert, die nach vorne reichen und sich an der Oberfläche festsetzen. Durch das Einrollen der Pili ziehen sich die Bakterien mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Mikrometer pro Sekunde oder etwa einer Körperlänge pro Sekunde mit.
In diesem Fall sagen Shaevitz und Co., dass die durchschnittliche Kraft, die von einer einzelnen Zelle erzeugt wird, etwa 50 Pikonewton beträgt – das ist zehnmal höher als bei einer Gleitbewegung.
Außerdem bewegen sich Bakterien im Allgemeinen in Gruppen, sodass ihre kollektiven Kräfte viel höher sein können. Die Messungen zeigen, dass Bakteriengruppen eine Kraft von mehr als 100 Piconewton ausüben.
Das ist eine interessante Arbeit, die zumindest einige der Fähigkeiten von Bakterien als Bewegungsmaschinen aufzeigt.
Es gibt jedoch noch erhebliche unbeantwortete Fragen. Beispielsweise beträgt die Auflösung einer solchen Zugkraftmikroskopie etwa 0,5 Mikrometer, sodass kleinere Verformungen nicht gemessen werden können. Diese Technik verfehlt also jegliche Dynamik, die in einem kleineren Maßstab auftritt.
Es gibt auch viele andere Geheimnisse, die mit der bakteriellen Bewegung verbunden sind. Zum Beispiel weiß niemand warum Myxococcus xanthus kann sich auf weichem Agar schneller bewegen als auf steifem Agar. Aber diese Art von Arbeit sollte helfen, Antworten zu finden.
Darüber hinaus ist eine interessante Frage, wie man die Bakterienbewegung ausnutzen kann. Wenn diese Bewegung Kräfte erzeugt, warum diese nicht nutzen, um Hebel zu drücken, Schalter zu betätigen, Hamsterräder zu drehen, Fracht zu tragen und so weiter? Es ist nicht schwer, sich ein wahres Disneyland bakterieller Aktivität vorzustellen.
Natürlich funktionieren Maschinen in dieser Größenordnung ganz anders als menschliche – Trägheitskräfte werden unbedeutend, während andere Effekte wie die Kräfte von van de Waal enorm wichtig werden. Das ist etwas, was Designer von mikroelektromechanischen Geräten schon lange wissen – vielleicht könnten sie helfen?
Tatsächlich ist es nicht unvorstellbar, dass die kollektiven Kräfte wandernder Bakterien eines Tages genutzt werden könnten, um nützliche Arbeiten im Mikrometermaßstab durchzuführen.
Ref: arxiv.org/abs/1701.00524 : Kollektive Krafterzeugung durch Gruppen wandernder Bakterien