Magnetotaktische Navigation in komplexen Umgebungen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Klumpp
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446142122

Magnetotaktische Bakterien richten sich in Magnetfeldern mit Hilfe ihrer Magnetosomenkette aus, die als intrazelluläre Kompassnadel fungiert. Dadurch wird ihr Schwimmen, angetrieben durch Flagellen, durch das Magnetfeld gesteuert. Magnetotatische Bakterien leben oft in den Sedimenten von Gewässern und schwimmen daher in einer Umgebung, die durch Poren und Hindernisse gekennzeichnet ist. In diesem Projekt kombinieren wir theoretische und experimentelle Zugänge zur quantitativen Charakterisierung der magnetotaktischen Motilität in komplexen Umgebungen. Wir untersuchen, wie gerichtete Bewegung erreicht wird und wie diese Bakterien Flexibilität und Kontrolle der Bewegungsrichtung gegeneinander abwägen, um durch ein solches Medium zu navigieren. Wir fangen einzelne Bakterien mit Hilfe einer mikrofluidischen Falle in zirkulären Kammern ein und tracken ihre Bewegung, um ihre Wechselwirkungen mit den einschließenden Wänden zu untersuchen. Mit Simulationen machen wir Vorhersagen für das Verhalten für andere Fallengeometrien und für den Einfluss von Magnetfeldern unterschiedlicher Stärke und Orientierung treffen. Wir charakterisieren, verschiedene Arten von magnetotaktischen Bakterien, deren magnetotaktischer Apparat unterschiedlich aufgebaut ist und die unterschiedliches magnetotaktisches Verhalten zeigen, um Informationen über verschiedene Strategien des Umgangs mit Confinement und Hindernissen für gerichtete Bewegung zu erhalten. Das Wechselspiel von Simulation und Experiment soll zu einem vorhersagekräftigen Modell führen.Darüber hinaus stellen wir mikrofluidische Kanäle mit Hindernissen her, die das Sediment, in dem die Bakterien leben, nachbilden, und untersuchen das Schwimmen von magnetotaktischen Bakterien darin. Wir nehmen an, dass schwache Magnetfelder die Bewegung durch den Kanal leiten und damit verstärken, während starke Felder das Hängenbleiben an Hindernissen verstärken und die Bewegung behindern. Wir testen diese Erwartung experimentell und in Simulationen. Mit der Simulationen untersuchen wir das Zusammenspiel von magnetischer Kontrolle, Wechselwirkungen mit den Hindernissen, Fluktuationen und aktiven Orientierungsänderungen in solchen Umgebungen und entwerfen Hindernisanordnungen, die anschließend experimentell getestet werden. Ziel ist es, Navigationsstrategien in komplexen Umgebungen und entsprechenden Designbeschränkungen des magnetotaktischen Apparates zu erschließen und mit dem Vergleich verschiedener Arten und einer Analyse der Populationsheterogenität zu testen. Die Kombination unserer experimentellen Ansätze und der theoretischen Beschreibung wird zu einem umfassenden quantitativen Bild der magnetotaktischen Motilität in komplexen Umgebungen führen. Außerdem wird sie auch allgemein Aufschluss darüber geben, wie die Richtungskontrolle von Bewegung mit einer Richtungsflexibilität zur Navigation in komplexen Umgebungen in Einklang gebracht werden kann, bei Mikroorganismen wie auch in der Mikrorobotik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Damien Faivre