17.01.2019 Bakterien schwärmen aus

Internationales Forschungsteam kombiniert Mikroskopie mit maschinellem Lernen, um Ausbreitungsdynamik zu erklären

Bakterien (dargestellt als Ellipsen) organisieren sich als Schwärme, wenn sie sich über Oberflächen bewegen. Jedes Bakterium ist entsprechend seiner Geschwindigkeit eingefärbt, wobei schnelle Bakterien rot dargestellt sind und langsame Bakterien blau.

Die schwarmartige Ausbreitung von Bakterien lässt sich beschreiben, wenn man die räumlichen Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Zellen und ihre Beweglichkeit kennt. Zu diesem Resultat gelangen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Marburg, Berlin und Cambridge in den USA, indem sie mikroskopische Untersuchungen mit genetischen Verfahren, maschinellem Lernen und mathematischer Modellierung kombinieren. Die Arbeitsgruppe berichtet über ihre Ergebnisse in der Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift PNAS.

Die gemeinschaftliche Bewegung von Zellen, das so genannte Schwärmen, ermöglicht Bakterien, sich auszubreiten sowie Nährstoffvorkommen zu erkunden. „Dieses Verhalten hat tiefgreifende Auswirkungen auf Krankheitsübertragung, Genfluss und Evolution“, sagt Professor Dr. Knut Drescher von der Philipps-Universität und vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, der federführende Autor der Studie.

Zwar kennt man bereits wichtige physiologische und biophysikalische Faktoren, die bestimmte Aspekte des Schwarmverhaltens steuern; „der kausale Zusammenhang zwischen den mikroskopischen Prozessen auf Ebene der Einzelzellen einerseits und der Schwarmdynamik auf der Makroebene andererseits wurde bislang jedoch noch nicht hergestellt“, legt der Biophysiker dar.

Drescher sowie seine Kolleginnen und Kollegen schließen diese Lücke, indem sie Hochleistungsmikroskopie mit maschinellem Lernen und Computermodellierung kombinieren. „Wir zeigen mit diesem integrierten Ansatz, dass physikalische Zell-Zell-Interaktionen ausreichen, um die Dynamik des Bakterienschwärmens in allen Phasen zu beschreiben“, führt Dreschers Doktorandin Hannah Jeckel aus, die als Erstautorin der Veröffentlichung firmiert.

Sie nutzte ausgeklügelte mikroskopische Verfahren, um während der Entwicklung des Schwarms kurze Filme aufzunehmen. Die so gewonnen Daten wurden mittels maschinellem Lernen ausgewertet. Sie bildeten außerdem den Ausgangspunkt, um die Entwicklung der Bakteriengemeinschaften im Computer nachzubilden: So fanden die Autorinnen und Autoren heraus, dass Stöße zwischen den Bakterien diese dazu veranlassen, sich in dieselbe Richtung zu bewegen. Eine hohe Dichte mobiler Zellen verstärkt diesen Effekt, immobile Zellen behindern ihn.

Professor Dr. Knut Drescher lehrt Biophysik am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg. Er leitet außerdem eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und gehört dem Marburger „LOEWE-Zentrum für Synthetische Mikrobiologie“ an. Im Jahr 2016 erhielt er einen „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrates ERC. Außerdem förderten unter anderem das “Human Frontier Science Program”, die Deutsche Forschungsgemeinschaft sowie das Massachusetts Institute of Technology die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten finanziell.

Originalveröffentlichung: Hannah Jeckel & al.: Learning the space-time phase diagram of bacterial swarm expansion, PNAS 2019, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1811722116