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Projekt
Schwärmen von Bakterien: Rolle der Flagellen im emergenten Verhalten
Antragsteller
Professor Dr. Roland G. Winkler
Fachliche Zuordnung
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Förderung
Förderung von 2014 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254487871
Bakterien mit Geißeln zeigen, abhängig von ihrer Umgebung, charakteristische Bewegungsmoden. Einzelne planktonische Zellen schwimmen in einer Flüssigkeit. Eine andere Mode wird als Schwärmen bezeichnet; dabei migrieren Bakterien kollektiv über eine Oberfläche (Biofilm) als stabile, hochmobile Aggregate. Bakterienschwärme sind dicht gepackt und bilden ein interessantes Strömungsverhalten mit Wirbeln aus. Bakterien vieler Stämme zeigen unterschiedliche Morphologien als planktonische Zelle oder als Schwärmerzelle. Als Schwärmerzelle werden sie länger durch Unterdrückung der Zellteilung und bilden sehr viel mehr Geißeln aus. Dies lässt auf eine wesentliche Rolle der Geißeln beim Schwärmen schließen, neben dem Umstand, dass die Geißeln den Antrieb der Bakterien liefern. Es ist allerdings nur sehr wenig darüber bekannt, wie Bakterien ihre Geißeln nutzen, um sich über Oberflächen und in Schwärmen zu bewegen.In diesem Projekt wollen wir die Eigenschaften von Geißeln in Bakteriengruppen aufklären, zusammen mit ihrer Rolle beim emergenten Schwarmverhalten. Weiterhin wollen wir den Einfluss einer viskoelastischen fluiden Umgebung auf das Schwimm- und Schwarmverhalten studieren. Dabei wird eine mesoskalige, hydrodynamische Simulationsmethode genutzt, bei der die Multiparticle-Collision-Dynamics Methode für (viskoelastische) Flüssigkeiten und Molekulardynamik-Simulationen für die Bakterien kombiniert werden. Für das Studium von viskoelastischen Effekten soll die Komplexität eines Mikroschwimmers systematisch von einem kugelförmigen Squirmer über ein schwimmendes E.-Coli-Bakterium bis hin zu Schwärmerzellen variiert und deren Charakteristika untersucht werden. Es werden zwei Arten von Schwarmzellen betrachtet: E.-Coli-artige mit etwa 20 Geißeln und P.-Mirabils-artige mit ca. 200 Geißeln. Besonderes Augenmerk liegt auf der Bündelbildung der Geißeln. Hier sollen, zunächst für die E.-Coli-artigen Zellen, systematische Untersuchungen zum Einfluss des die Geißelrotation antreibenden Motormoments auf die Bündelbildung und Zellenmigration durchgeführt werden. Das kollektive Migrationsverhalten von E.-Coli-artigen Schwärmern ist deutlich verschieden von dem sehr langer Zellen. Für die E.-Coli-Bakterien soll zunächst das Migrationsverhalten von größeren Anordnungen (Rafts) analysiert werden mit besonderem Berücksichtigung der Form der Zellen, ihrer Geißeln und hydrodynamischer Wechselwirkungen. Interzelluläre Geißelwechselwirkungen sind besonders für P.-Mirabilis-artige Zellen von Bedeutung, wie bereits in der vergangenen Förderperiode gezeigt. Wir wollen systematisch die sich bildenden und miteinander verwobenen Geißelbündel benachbarter Zelle untersuchen. Insbesondere wollen wir deren Dynamik verstehen und die Art und Weise, wie sich die Zellen dadurch fortbewegen. Weiterhin sind wir an dem kollektiven Verhalten größerer Anordnungen von Zellen interessiert und den Mechanismen der Bündelbildung bei dynamischen Änderungen der Zellverbünde.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
