„Mikroschwimmer“

Wie der Motor schwimmender Algen funktioniert

Wie sich bewegliche Algen und andere „Mikroschwimmer“ in Flüssigkeiten fortbewegen, haben Experimentalphysiker der Universität des Saarlandes gemeinsam mit Dresdner Kollegen untersucht: Sie setzten Grünalgen der Gattung Chlamydomonas einer Gegenströmung aus und erfassten die Bewegungen ihrer Geißeln mittels eines hochauflösenden Tracking-Verfahrens.

Grünalge an der Spitze einer Mikropipette. Ihre beiden Geißeln schlagen in einer Art Brustschwimmbewegung. (Foto: Christian Ruloff, AG Wagner)

Hieraus wurde ein Rechenmodell abgeleitet, das exakt vorhersagt, wie sich der „Motor“ der Winzlinge unter Belastung verhält. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen zu verstehen, wie sich künstliche Mikroroboter beispielsweise im menschlichen Organismus künftig einmal fortbewegen könnten. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Grünalgen der Gattung Chlamydomonas bewegen sich mittels zweier beweglicher Geißeln, auch Flagellen genannt, aktiv fort. „Jede Geißel besitzt in ihrem Inneren Zehntausende molekularer Motoren – jeweils einen Millionstel Zentimeter groß. Sie sitzen wie Perlen auf einer Schnur auf den einzelnen Protein-Strängen, aus denen die Geißel aufgebaut ist“, erläutert der Saarbrücker Experimentalphysiker Christian Ruloff, Doktorand bei Prof. Christian Wagner. Dieses Kollektiv molekularer Motoren verschiebt benachbarte Proteinstränge und biegt damit die ganze Geißel hin und her.

„Geißeln sind ein ‚Bestseller‘ der Natur: Auch Spermien und Pantoffeltierchen benutzen schlagende Geißeln zur Fortbewegung. Sie schlagen außerdem zu Tausenden im Gleichtakt auf der Innenseite unserer Atemwege und den mit Hirnwasser gefüllten Hohlräumen im Hirn, um Flüssigkeit zu pumpen“, sagt Benjamin M. Friedrich vom Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden, der gemeinsam mit Gary S. Klindt vom Dresdner Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) am Kooperationsprojekt mit den Saarbrücker Forschern beteiligt ist. Grünalgen mit ihren zwei Geißeln seien ein perfektes Modellsystem, um grundlegende Fragen zu verstehen: Wie arbeiten die molekularen Motoren in der Geißel zusammen? Wie reagiert der Motor unter Last? Und wie einigen sich mehrere Geißeln auf einen gemeinsamen Taktschlag, wenn es keinen Dirigenten gibt?

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Um herauszufinden, wie die Motoren der Grünalge genau funktionieren, testeten die Physiker aus Saarbrücken und Dresden den Algenmotor unter Belastung. „Zu diesem Zweck haben wir eine Art Minilabor gebaut, in dem die Alge mithilfe einer Mikropipette in einem winzigen Strömungskanal festgehalten wird“, sagt Christian Ruloff. „Setzen wir die Alge einer Gegenströmung aus und lassen sie sozusagen flussaufwärts schwimmen, so erhöht sich ihre Schlagfrequenz so lange, bis die Last für die Motoren zu hoch ist und die Schlagbewegung aufhört“, fasst Christian Wagner die wichtigsten Beobachtungen der Experimente zusammen. Wird die Gegenströmung wieder reduziert, fängt die Zelle erneut an zu schwimmen. Diese Änderung des Geißelschlags unter Last kann man mit einem Auto vergleichen, das am Hang langsamer wird und bei zu starker Steigung schließlich nicht mehr den Berg hochkommt.

Um die Bewegung der Geißeln exakt zu erfassen, führten Christian Ruloff und Gary S. Klindt ein hochauflösendes Tracking-Verfahren durch: Dabei wurden hunderttausende Fotografien der nur zwei Zehntel Mikrometer dünnen Flagellen aufgenommen, so dass ihre Form in jeder Phase der Bewegung nachvollzogen werden konnte. Hieraus kalibrierten die Wissenschaftler aus Dresden ein Rechenmodell, mit dem sich exakt vorhersagen lässt, wie sich der Motor als Funktion der angelegten Gegenströmung verhält.

„Aus dieser Information konnten wir beispielsweise bestimmen, dass die Effizienz der Algenmotoren nur 20 Prozent beträgt. Folglich werden 80 Prozent der durch Photosynthese gewonnenen chemischen Energie nicht zur Fortbewegung genutzt, sondern gehen als Wärme verloren“, erklärt Gary S. Klindt. Im Vergleich dazu nutzt der Otto-Motor im Auto zwar 40 Prozent des Treibstoffs zur Fortbewegung, allerdings arbeitet er bei 1000 °C, während bei der Alge die Umwandlung von chemischer Energie in Arbeit bei Raumtemperatur stattfindet. „Dieses Modell kann man auf andere sich bewegende Mikroorganismen anwenden. In die Zukunft gedacht, kann es auch als Modell für die Bewegung von Mikrorobotern dienen, die beispielweise im menschlichen Organismus eingesetzt werden könnten“, sagt Prof. Christian Wagner.

Die Studie „Load response of the flagellar beat“ wurde am 14. Dezember 2016 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.258101

Kontakt:
An der Universität des Saarlandes:
Prof. Dr. Christian Wagner
Experimentalphysik
E-Mail: c.wagner@mx.uni-saarland.de
http://agwagner.physik.uni-saarland.de/

Christian Ruloff, Dipl. Phys.
E-Mail: c.ruloff@mx.uni-saarland.de

Am cfaed, TU Dresden:
Dr. Benjamin M. Friedrich
Theoretische Physik
E-Mail: benjamin.m.friedrich@tu-dresden.de
https://cfaed.tu-dresden.de/friedrich-home

Am Dresdner Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme:
Gary S. Klindt
Numerische Physik
E-Mail: gary@pks.mpg.de

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