Warum Bakterien keine perfekten Schwimmer sind
Mal schieben, mal ziehen: Forschende können einen künstlichen Mikroschwimmer erstmals während der Bewegung umstellen. Das liefert neue Hinweise darauf, warum Bakterien schwimmen, wie sie schwimmen.
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Der künstliche Mikroschwimmer ist nur etwa vier Mikrometer groß und mit winzigen Goldpartikeln besetzt. Mit Laserlicht können Forschende beeinflussen, wie er sich durch eine Flüssigkeit bewegt. © Universität Leipzig/AG Molekulare Nanophotonik
In einem Tropfen Wasser bewegen sich winzige Lebewesen auf ganz unterschiedliche Weise. Bakterien wie E. coli treiben sich mit dünnen Antriebsfäden, sogenannten Geißeln, am hinteren Ende voran. Ähnlich einem Boot mit Heckantrieb. Algen wie Chlamydomonas ziehen sich dagegen mit solchen Fäden am vorderen Ende durchs Wasser. Dabei entstehen jeweils andere Strömungen.
Physiker der Universität Leipzig und der Karls-Universität Prag wollen solche Bewegungen besser verstehen. Dafür nutzen sie künstliche Mikroschwimmer. Das sind winzige Teilchen, mit denen Forschende im Labor das Verhalten und Zusammenspiel von Mikroorganismen nachstellen und untersuchen können. Bislang stand bei solchen künstlichen Schwimmern schon bei der Herstellung fest, wie sie sich durch eine Flüssigkeit bewegen. Der Gruppe um Prof. Frank Cichos ist es nun gelungen, dieselbe winzige Kugel mit Licht unterschiedlich schwimmen zu lassen. Der Wechsel gelingt während der Bewegung.
Wie Licht die Schwimmweise verändert
Die durchsichtigen Kugeln sind mit winzigen Goldpartikeln besetzt. Trifft Laserlicht auf das Gold, erwärmt sich die Oberfläche an dieser Stelle. Die Forschenden können unterschiedliche Bereiche der Kugel unterschiedlich stark erwärmen. Das entstehende Temperaturmuster setzt die Kugel in Bewegung und bestimmt zugleich, wie die Flüssigkeit um sie herum strömt.
Verändern die Forschenden das Lichtmuster, verändert sich auch die Strömung. Dieselbe Kugel kann sich dadurch einmal ähnlich wie ein Bakterium durchs Wasser schieben und kurz darauf eher wie eine Alge ziehen. Eine Grenze gibt es allerdings. Der Laser kann die Kugel erwärmen, aber nicht abkühlen. Das beeinflusst, welche Schwimmweise unter diesen Bedingungen am günstigsten ist. Dabei stießen die Forschenden auf ein zunächst widersprüchlich klingendes Ergebnis.
"Das intuitiv Unerwartete daran ist, dass bei gleicher Laserleistung ausgerechnet die langsamste Schwimmweise die effizienteste ist, wenn man eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen will", sagt Doktorandin Lisa Rohde, Erstautorin der Studie. Das Ergebnis gilt für die besonderen Bedingungen des Experiments. Es zeigt, dass die technischen und physikalischen Grenzen eines Schwimmers mitbestimmen, welche Schwimmweise tatsächlich am günstigsten ist.
Was künstliche Schwimmer über Bakterien verraten
Solche Grenzen gibt es auch in der Natur. Sie könnten mit erklären, warum sich bei Bakterien im Laufe der Evolution Schwimmweisen durchgesetzt haben, die theoretisch nicht optimal sind, aber trotzdem gut funktionieren. "Bislang war der hydrodynamische Charakter eines Mikroschwimmers im Moment der Herstellung festgelegt, ähnlich wie der Körperbau eines Tieres", sagt Cichos. Nun können die Forschenden diese Eigenschaft mit Licht während des Experiments verändern.
Das eröffnet neue Möglichkeiten. Damit können sie künftig besser untersuchen, wie sich viele solcher Teilchen gemeinsam verhalten – etwa bei Bewegungsmustern von Bakterien oder in Schwärmen. Mit den bisherigen künstlichen Schwimmern waren solche Experimente nur eingeschränkt möglich, weil ihre Schwimmweise feststand.
Als Nächstes will das Team die Steuerung mit maschinellem Lernen kombinieren. Die Mikroschwimmer sollen dann lernen, welche Schwimmweise für eine bestimmte Aufgabe geeignet ist. Außerdem wollen die Forschenden untersuchen, wie sich die Mikroschwimmer in zähem Schleim anders bewegen als in Wasser.
Originalpublikation:
Rohde, L., Anchutkin, G., Holubec, V. et al. Programmable hydrodynamics of active particles. Nat Commun 17, 9406 (2026).
