Eingeschränkte Bewegung von Bakterien in der Nähe topographischer Oberflächen und unter Scherfluss

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Stark
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462445093

Schwimmende Bakterien wie Escherichia coli (E.coli) besiedeln Oberflächen, wo sie gefährliche Biofilme ausbilden und Biofouling bewirken. Nachdem Sie die Oberfläche erreicht haben, wird ihre Bewegung durch physikalische Mechanismen eingeschränkt, was dann letztendlich die irreversible Anhaftung an der Oberfläche durch chemische Bindungen begünstigt. Trotz einiger Erkenntnisse, ist die eingeschränkte Bewegung von E. coli an Oberflächen immer noch ein wenig verstandener komplexer Prozess, der durch die Schwimm-Taumel-Beweglichkeit von E. coli und physikalische Bedingungen wie Scherfluss und die Topographie der Oberfläche bestimmt ist. Jedoch, eine Kontrolle der eingeschränkten Bewegung ist wichtig fuer medizinische und biotechnologische Prozesse, zum Beispiel, zur Verhinderung von Biofilmen oder Biofouling, aber auch um Bakterien als Träger zu verwenden, die Medikamente an Orte lokaler Erkrankung bringen, wie zum Beispiel bösartige Tumore. Daher arbeiten die indische und deutsche Gruppe zusammen und verwenden ihre komplementären Fachkenntnisse, um physikalische Bedingungen zu erforschen, mit denen man die eingeschränkte Bewegung von E.coli im Scherfluss nahe von Oberflächen mit unterschiedlicher Topographie kontrollieren kann.Wir werden die Analyse des komplexen Problems Schritt für Schritt durchführen und uns dabei auf ein realistisches Modell für E.coli stützen, das der indische Projektleiter früher entwickelt hat. Es wird zunächst für eine gründliche und vorbereitende Analyse der Schwimm-Taumel-Bewegung im Volumen verwendet. Parallel wird die deutsche Gruppe das Modell-E.coli in einem numerischen Code implementieren, der auf der Methode der Vielteilchen-Stoßdynamik basiert, mit der man Strömungsfelder um das Bakterium in der Nähe von Oberflächen mit unterschiedlicher Topographie simulieren kann. Der Code steht beiden Gruppen zur Verfügung. Wir werden dann sehr gründlich untersuchen, wie die Bewegung von Bakterien an Oberflächen eingeschränkt wird, entweder in ruhender Flüssigkeit oder unter Scherfluss und dabei sich widersprechende Beobachtungen klarstellen. Wir werden uns dabei auf die Rolle der bakteriellen Flagellendynamik während der Schwimm- und Taumelbewegung einschließlich des Polymorphismus der Flagellen konzentrieren, die bis jetzt in keinem der veröffentlichten Experimente aufgelöst wurde, und auch die Rolle von Rheotaxis und Jeffery-Bahnen für die bakterielle Dynamik studieren. Schließlich werden wir Oberflächen mit nichtplanarer Topographie modellieren und Situationen untersuchen, die für die Kontrolle von Biofouling und die gezielte Deponierung von Medikamenten relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tapan Chandra Adhyapak