Modelle des Schwärmverhaltens von Bakterien

Einige Bakterien leben eng zusammen und bilden Kolonien mit komplexen geometrischen Mustern. Hierfür reagieren sie auf ihre lokale Umgebung und setzen Pheromone oder andere chemoattraktive Moleküle frei. Das Wissen um die Dynamik solcher Kolonien und die Faktoren, die das bakterielle Verhalten auf makroskopischer Ebene beeinflussen, ist allerdings noch begrenzt.

Mit Hilfe eines mathematischen Modells sollte das EU-finanzierte Projekt "Multiscale modeling and simulation of bacterial colonies" (BACTERIAL COLONY SIM) das bakterielle Verhalten in Kolonien simulieren und erklären. Schwerpunkt war ein Paenibacillus aus der Gattung Bacillus, an dem erforscht wurde, wie Bakterien kooperieren und die Wachstumsdynamik Millionen stammeszugehöriger Bakterien regeln.

Das Bakterienwachstum wurde in drei Stadien untersucht: Einzelkolonie, Schwärmen und makroskopischer Koloniephase. Schwärme bestehen aus einigen tausend Zellen und sind die grundlegende Organisationseinheit beim bakteriellen Wachstum.

Um bakterielles kollektives Verhalten zu verstehen, entwickelte das Konsortium Algorithmen zum Schwärmverhalten, wobei sich eine sehr synchronisierte Bewegung als Reaktion auf Nährstoffe, Abfallprodukte, Umweltanalytik und interzelluläre Signalübertragung offenbarte. Abhängig von den externen Bedingungen bewirkt die Schwärmdynamik, dass die Bakterien sich schnell auf Oberflächen fortbewegen können. Insbesondere wurde untersucht, inwieweit hohe Antibiotikakonzentrationen das Schwärmverhalten beeinflussen.

Insgesamt lieferte der Modellansatz von BACTERIAL COLONY SIM Informationen zu Strukturen und Faktoren des Bakterienwachstums als Basis für künftige antibakterielle Strategien gegen das Schwärmphänomen.