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 von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446142122

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnetotaktische Bakterien richten sich natürlicherweise in Magnetfeldern aus und nutzen die magnetische Ausrichtung, um ihr bevorzugtes Habitat zu finden. Sie stellen ein Modellsystem zur Untersuchung der magnetischen Steuerung als Mechanismus für die Fernsteuerung von Mikroschwimmern dar. Eine Herausforderung für die magnetische Navigation sind das Umgebungen mit Hindernissen, da die magnetische Richtungsabhängigkeit zu geraden Pfaden führt, während die Vermeidung von Hindernissen Abweichungen vom geraden Pfad erfordert. Solche Bedingungen sind typisch für magnetotaktische Bakterien, die oft im Sediment (Schlamm) leben. Hier haben wir Mikrofluidik-Experimente und aktive Partikelsimulationen verwendet, um ihr Schwimmen durch realitätsnahe Hinderniskanäle zu untersuchen, die als Nachahmung von Sandproben hergestellt wurden. Wir sehen optimalen Durchfluss der Bakterien bei einem Magnetfeld nahe der geomagnetischen Feldstärke und charakterisierten den Wettkampf zwischen allgemeiner Geradlinigkeit und lokalen Fallen in den „Ecken“ der Hindernisse. Die Optimalität unter physiologischen Bedingungen deutet darauf hin, dass das magnetische Moment der Bakterien an die Bedingungen in ihrem Lebensraum angepasst ist. Darüber hinaus haben wir beobachtet, dass die Schwimmgeschwindigkeit des magnetotaktischen Stammes SS-5 in Gegenwart eines Magnetfeldes erhöht ist. Wir können aussschließen, dass dies ein Schein-Effekt ist, der auf geradere Bahnen zurückzuführen ist, und schlagen daher vor, dass dieser Stamm einen echten Sensor für das Magnetfeld hat, über die passive Ausrichtung hinaus. Schließlich haben wir Bayes'sche Methoden für die Analyse der Trajektorien einzelner Bakterien entwickelt, die entweder auf zeitlicher Diskretisierung oder auf Brownschen Brücken basieren. Diese wurden verwendet, um die Kollisionen mit Hindernissen zu untersuchen und eine Grundlage für die phänomenologische Beschreibung der Ausrichtung an Hindernisoberflächen durch ein Wanddrehmoment zu liefern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Clinical Translation of Inorganic Nanoparticles and Engineered Living Materials for Cancer Therapy. ChemPlusChem, 89(10).
  Gandarias, Lucía & Faivre, Damien
  
• Colloquium : Magnetotactic bacteria: From flagellar motor to collective effects. Reviews of Modern Physics, 96(2).
  Marmol, M.; Gachon, E. & Faivre, D.
  
• Escape problem of magnetotactic bacteria - physiological magnetic field strength help magnetotactic bacteria navigate in simulated sediments.
  Codutti, Agnese , Charsooghi, Mohammad A , Marx, Konrad , Cerdá-Doñate, Elisa , Munoz, Omar , Zaslansky, Paul , Telezki, Vitali , Robinson, Tom , Faivre, Damien & Klumpp, Stefan
  
• Bayesian inference of wall torques for active Brownian particles. Europhysics Letters, 149(5), 57001.
  Lambert, S.; Duchêne, M. & Klumpp, S.
  
• Inference of wall torques from active particle simulations. GRO.data, V1
  S. Lambert, M. Duchene & S. Klumpp
  
• Patterns of active dipolar particles in external magnetic fields. Physical Review E, 112(6).
  Telezki, Vitali & Klumpp, Stefan
  
• Physiological magnetic field strengths help magnetotactic bacteria navigate in simulated sediments. eLife, 13.
  Codutti, Agnese; Charsooghi, Mohammad A.; Marx, Konrad; Cerdá-Doñate, Elisa; Muñoz, Omar; Zaslansky, Paul; Telezki, Vitali; Robinson, Tom; Faivre, Damien & Klumpp, Stefan