Bakterien optimieren ihr Schwimmverhalten

Erst die optimale Länge des bakteriellen Fortbewegungsorganells ermöglicht ein effizientes Schwimmverhalten

Bakterien sind wenige Mikrometer große einzellige Organismen, die sich durch Rotation eines propellerähnlichen Fortsatzes, des Flagellums, in flüssiger Umgebung gerichtet fortbewegen können. Diese Fähigkeit, sich fortzubewegen, ist von großer Wichtigkeit für viele krankheitsverursachende Bakterien, wie zum Beispiel Salmonellen. Das Fortbewegungsorganell der Bakterien ist hierbei eine erstaunlich komplexe, aus tausenden Bausteinen bestehende, makromolekulare Struktur von mehreren Mikrometern Länge.

Interessanterweise können Bakterien die Teilstrukturen ihrer Flagellen präzise im Nanomaßstab messen. Im Besonderen ist die Länge eines extrazellulären Bindestücks, des Hakens, auf 55 Nanometer festgelegt. Bakterien verwenden für diese präzise Längenmessung ein ‚molekulares Maßstabsprotein‘, welches die Länge der Hakenstruktur während des Aufbaus von Flagellen bestimmt. Warum jedoch die genau festgelegte Länge der Hakenstruktur für die Funktion von Flagellen wichtig ist, war bislang unklar.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Salmonellenbakteriums mit
langen Fortsätzen, den Flagellen. Foto: Prof. Dr. Manfred Rhode,
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig.

Jetzt fanden Forscher der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), zusammen mit nationalen und internationalen Kolleginnen und Kollegen des Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig, dem Braunschweiger Zentrum für Systembiologie, der University of Edinburgh, der Université de Fribourg und der Michigan State University, dass eine optimale Länge der Hakenstruktur von entscheidender Bedeutung für eine effiziente Fortbewegung von Salmonellen ist.

Hierbei analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Schwimmverhalten von genetisch veränderten Bakterien mit unterschiedlichen Hakenlängen in verschiedenen Umgebungen und konnten zeigen, dass sich Salmonellen in flüssiger Umgebung am effizientesten fortbewegen, wenn die Hakenstruktur eine Länge im Bereich von 55 Nanometer aufweist.

Diese Ergebnisse sind ein faszinierendes Beispiel dafür, warum sich das Fortbewegungsorganell von Bakterien durch konstante Evolution zu der heutigen komplexen, makromolekularen Struktur entwickelt hat. Die Schlussfolgerungen, die die Forscherinnen und Forscher aus der Struktur des Fortbewegungsorganells zum Schwimmverhalten von Bakterien ziehen, könnten zudem eine wichtige Rolle für die zukünftige Entwicklung von schwimmenden Robotern im Mikrometermaßstab spielen.

Die vollständige Studie ist unter dem Titel „Hook-length of the bacterial flagellum is optimized for maximal stability of the flagellar bundle“ in der Fachzeitschrift PLoS Biologyerschienen.

Publikation

I. Spöring, V.A. Martinez, C. Hotz, J. Schwarz-Linek, K. L. Grady, J. M. Nava-Sedeño, T. Vissers, H. M. Singer, M. Rohde, C. Bourquin, H. Hatzikirou, W. C. K. Poon, Y. S. Dufour, M. Erhardt. (2018) Hook length of the bacterial flagellum is optimized for maximal stability of the flagellar bundle. PLoS Biology 16(9).