Interaktionen von Mikroschwimmern, Membranen und Biofilmen

Fortbewegung durch Schwimmen ist ein wichtiger Bestandteil der Überlebensstrategie von verschiedenen Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung. Dort treffen diese sogenannten Mikroschwimmer auf diverse chemische Substanzen, andere Organismen und begrenzende Oberflächen. Dieses Wechselspiel führt zu komplexen physikalischen Phänomenen, welche eine Vielzahl biologischer Prozesse bestimmen. Ein tiefgreifendes Verständnis der zugrundeliegenden Wechselwirkungen ist von großer Bedeutung sowohl für die Mikrobiologie als auch für zukünftige Fortschritte in der Nanotechnologie des 21. Jahrhunderts. Diese beinhalten unter anderem die Herstellung künstlicher,selbst-angetriebener Teilchen für denkontrollierten Medikamententransport und für die biologische Sanierung von Ökosystemen. Das Forschungsprojekt mit dem Titel Interaktionen von Mikroschwimmern, Membranen und Biofilmen befasst sich mit den Wechselwirkungen von Mikroschwimmern mit begrenzenden natürlichen Oberflächen, wie biologische Membrane und Biofilme. Diese weichen Materialien weisen besondere elastische Eigenschaften auf und reagieren sensitiv auf externe Kräfte, welche eine Verformung ihrer Oberfläche bewirken. Darüberhinaus bestehen Biofilme aus einer Ansammlung von Mikroorganismen, welche aneinandergeheftet sind und durch Signalmoleküle miteinander kommunizieren. Neue Studien haben gezeigt, dass diese Signalmoleküle den Biofilm verlassen können und damit das Verhalten von nahen Mikroschwimmern entscheidend verändern können. Ein großes Ziel des Forschungsvorhabens stellt die theoretische Charakterisierung der hydrodynamischen Wechselwirkungen zwischen Mikroschwimmern und elastischen Oberflächen dar. Im Speziellen soll gezeigt werden wie die Strömung, welche durch die schwimmenden Mikroorganismen erzeugt wird, die elastische Oberfläche verformt und wie diese Verformung das Verhalten der Mikroschwimmer beeinflusst. Zusätzlich sollen verschiedene Schwimmmechanismen betrachtet werden. Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens der Mikroschwimmer in der Nähe von chemischen Signalen, welche durch den Biofilm übertragen werden. Hier sollen vor allem das komplexe Zusammenspiel der elastischen Oberfläche, der chemischen Signale und der Schwimmbewegung der Mikroorganismen untersucht werden. Um diese Fragestellungen zu beantworten werden sowohl fortgeschrittene analytische Methoden verwendet als auch eine Simulationssoftware entwickelt. Ein Vergleich von analytischen Resultaten mit Simulationsergebnissen dient zur Untermauerung unserer Vorhersagen. Die theoretischen Ergebnisse sollen Experimente, speziell an der Gastuniversität, motivieren um quantitative Erkenntnisse über reale biologische Systeme zu erlangen. Ein besonderes Merkmal des Forschungsprojektes ist die Berücksichtigung von weichen, verformbaren Oberflächen, welche in fast allen biologischen Systemen zu finden sind. Unsere analytische Herangehensweise soll einen neuen Meilenstein für das fundamentale Verständnis der Bewegung von Mikroschwimmern in realen biologischen Umgebungen setzen.Die zusätzliche Betrachtung von chemischen Interaktionen hat großes Potential wichtige physikalische Erkenntnisse über Biofilme und deren Einfluss auf die Umgebung zu liefern.

Der erste Teil des Projekts befasste sich mit der Bewegung selbstangetriebener Teilchen in komplexen Umgebungen. Die Fortbewegung durch Schwimmen ist wichtig für das Überleben vieler Mikroorganismen in ihren natürlichen Lebensräumen, wo sie mit vielen äußeren Reizen, überfüllten Umgebungen und beengten Oberflächen mit besonderen Materialeigenschaften konfrontiert sind. Das Verständnis der grundlegenden physikalischen Mechanismen, die der Bewegung der Mikroschwimmer in diesen komplexen Umgebungen zugrunde liegen, ist von großer Bedeutung für die Mikrobiologie und für zukünftige Fortschritte bei nanotechnologischen Anwendungen. Mit Hilfe von Computersimulationen und Theorie haben wir ein geometrisches Kriterium für die optimale Ausbreitung von Mikroschwimmern in porösen Materialien, wie zum Beispiel Erde und biologischen Geweben, entschlüsselt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass intrinsische Mechanismen, die es den Microorganismen ermöglichen ihre Schwimmrichtung zu ändern, für sie unerlässlich sind um sich in ihren natürlichen Lebensräumen zu bewegen, da sie es ihnen ermöglichen Sackgassen zu verlassen. Diese Erkenntnisse könnten für das Design zukünftiger synthetischer Träger wichtig sein, die beispielsweise die engen Strukturen von Tumoren durchdringen sollen. Darüber hinaus untersuchten wir die Physik dichter Suspensionen selbstangetriebener Filamente als Modellsystem für längliche Bakterien oder Biofilamente, die in Zellen allgegenwärtig sind. Erstaunlicherweise haben wir festgestellt, dass sich einzelne Filamente in dichten Suspensionen anderer schneller bewegen als in einer freien Umgebung. Dieses kontraintuitive Ergebnis steht in starkem Kontrast zur Verlangsamung von Individuen in Verkehrsstaus oder in Menschenmassen und veranschaulicht die reichhaltige Physik aktiver Materie auf der Mikroskala. Mit Hilfe einer Kombination aus Computersimulationen, einer Skalentheorie und analytischen Vorhersagen konnten wir das Schwimmverhalten dieser Teilchen in diesen verwobenen Umgebungen vollständig charakterisieren. Darüber hinaus befasste sich das Projekt mit Details der hydrodynamischen Wechselwirkungen von selbstgetriebenen Teilchen mit elastischen und periodischen, gewellten Oberflächen. Der zweite Teil des Projekts befasste sich mit der hydrodynamischen Kopplung von extern angetriebenen Teilchen mit gewellten und zufällig strukturierten Oberflächen. Diese hydrodynamischen Wechselwirkungen sind von zentraler Bedeutung für eine Vielzahl mikrofluidischer Anwendungen, die vom Mischen komplexer Suspensionen bis zum Sortieren und Fokussieren biologischer Proben reichen. Durch die Kombination von Experimenten und Theorie haben wir eine dreidimensionale spiralförmige Bewegung der Teilchen in der Nähe von geriffelten Oberflächen gefunden und die grundlegenden physikalischen Mechanismen aufgeklärt, die zum Drift des Teilchens entlang der Oberflächenwellen führen. Wir identifizierten weiterhin ein optimales Drift- und universelles Transportverhalten als Funktion der relevanten Längenskalen unseres Systems. Wir haben unsere Arbeit zur Untersuchung von Teilchen, die der Brownschen Bewegung unterliegen, durch gewellte Kanäle in druckgetriebenen Strömungen weiter ausgebaut und analytische Ausdrücke für ihre effektive Ausbreitung und Drift abgeleitet. Unsere Ergebnisse könnten eine Optimierung und verbesserte Genauigkeit in bestehenden mikrofluidischen Ansätzen zur Fokussierung, Fraktionierung und Trennung von Teilchen ermöglichen.