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Bakterien navigieren mithilfe von Kollisionen durch ein Labyrinth
Dicht gedrängte Bakterien können sich durch ihre eigene Ordnung beim Erkunden neuer Flächen behindern. Bei Pseudomonas aeruginosa lösen Zusammenstöße jedoch schnelle Richtungswechsel aus, wie Experimente, Einzelzelltracking und Simulationen zeigen. So bleibt die Population im Gedränge beweglich, während sich Zellen am Rand einer Kolonie gemeinsam in freien Raum ausrichten.
Lausanne (Schweiz). Dichte Bakteriengemeinschaften müssen einen schwierigen Ausgleich schaffen, weil gemeinsame Bewegung die Ausbreitung erleichtern kann, starke Ausrichtung einzelne Zellen aber zugleich in geordneten Gruppen festhält. Gerade in engen, unübersichtlichen Umgebungen kann diese Ordnung deshalb zum Hindernis werden, wenn Zellen kaum noch aus dem Verband ausscheren und neue Bereiche erkunden.
Pseudomonas aeruginosa bewegt sich auf Oberflächen mithilfe sogenannter Typ-IV-Pili, fadenförmiger Zellfortsätze, die sich anheften und die Zelle vorwärtsziehen. Das Bakterium besitzt außerdem ein mechanisches Sensorsystem, das solche Zugkräfte auswertet und nach einem Kontakt mit Hindernissen innerhalb weniger Sekunden einen Richtungswechsel auslösen kann. Unklar war bisher, ob diese Reaktion nur einzelne Bahnen verändert oder auch die Ordnung ganzer Populationen steuert.
Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) um Sangwoo Kim haben diese Frage mit Live-Mikroskopie, Einzelzelltracking und agentenbasierten Computersimulationen untersucht. Sie verglichen den Wildtyp unter anderem mit einer ΔpilH-Mutante, die nach Kollisionen nur selten umkehrt, und verfolgten, wie sich die Bewegungsmuster mit steigender Zelldichte verändern.
„Wenn sich diese Bakterien über Oberflächen bewegen, spüren sie Zusammenstöße mit Nachbarn“, erklärt Laure Le Blanc von der EPFL.
Bei niedriger Dichte verteilten sich Wildtyp und Mutante noch ähnlich gleichmäßig, bei 70 Prozent Oberflächenbedeckung entstanden bei ΔpilH jedoch dichte Cluster und weitreichend ausgerichtete Zellverbände. Der Wildtyp blieb dagegen deutlich ungeordneter, weil seine Umkehrhäufigkeit mit wachsender Dichte zunahm und Zusammenstöße dadurch immer öfter eine neue Bewegungsrichtung auslösten.
Die Simulationen bestätigten, dass kontaktbedingte Umkehrbewegungen ausreichen können, um starke Ausrichtung und Gruppenbildung auch bei hoher Dichte zu unterdrücken. Unterschiede in Zellform oder Geschwindigkeit erklärten das Muster allein nicht, was die Rolle der mechanischen Rückkopplung zusätzlich stützt.
Der Effekt hängt zugleich vom lokalen Umfeld ab, denn im dicht besiedelten Kolonieinneren sorgen häufige Kontakte für kurze, gewundene Bahnen und halten die Population beweglich. An der Koloniefront mit viel freiem Raum treten weniger Kollisionen auf, sodass sich die Zellen stärker ausrichten und gemeinsam in Richtung unbesiedelter Fläche bewegen.
„Wie Einzelne koordinierte Bewegung und eigenständiges Erkunden ausbalancieren, bleibt eine zentrale Frage in lebenden Systemen“, sagt Prof. Alexandre Persat von der EPFL.
Dieser Wechsel brachte dem Wildtyp auch in Konkurrenzversuchen einen Vorteil, obwohl die kaum umkehrende ΔpilH-Mutante zu Beginn etwas schneller unterwegs war. Mit wachsender Dichte setzte sich der Wildtyp zunehmend durch, weil er geordnete Gruppen leichter verlassen und bevorzugt an der expandierenden Koloniefront weiterwandern konnte.