Mitgezogen von Mikro-Schwimmern

24. August 2021

Forschende des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS), der University of Pennsylvania und der Universität Twente haben in einem kombinierten experimentellen und theoretischen Ansatz ein neues Modell für einen neuen Transportmechanismus auf der Mikroskala geschaffen. Sie untersuchten kleine selbstangetriebene Objekte, sogenannte Mikroschwimmer, und beobachteten einen gerichteten Transport von Partikeln in der umgebenden Flüssigkeit. Anhand dieser Beobachtung berechneten sie, wie eine Vielzahl solcher Schwimmer einen gerichteten Materialfluss auslösen kann. Dies könnte einen bedeutenden Einfluss auf molekulare Transportmechanismen haben.

Der Transport von Materie ist ein Schlüsselaspekt in verschiedenen biologischen und technischen Anwendungen. Es ist bekannt, dass Mikroschwimmer, die sie unmittelbar umgebende Flüssigkeit mit sich ziehen, in der sie sich bewegen – einschließlich aller darin enthaltenen Partikel und Chemikalien. Auf diese Weise bewirkt ihr Eigenantrieb, dass mitgerissenes Material viel schneller verteilt wird als bei der Durchmischung durch Diffusion im Laufe der Zeit. Vor allem in mikroskopisch kleinen Kanälen könnte so eine Vielzahl von Mikroschwimmern, die sich in die gleiche Richtung bewegen, Partikel gezielt transportieren. "Es ist so als würde man das gesamte Urlaubsgepäck nicht in den Kofferraum packen, sondern es einfach in der Umgebungsluft mitschleppen. Es stellt sich heraus, dass ein Schwarm von Mikroschwimmern genau das mit überraschend hoher Transportkapazität tun könnte", berichtet Corinna Maaß, Mitautorin der Studie und Gruppenleiterin am MPIDS.

Mitziehen ist effizienter als direkte Kopplung

Ein Öltröpfchen-Mikroschwimmer (Bewegung in Pfeilrichtung) nimmt Material aus der Umgebung mit. Die farbigen Linien zeigen die Bewegung der transportierten Partikel.

Die Wissenschaftler*innen entwarfen einen Versuchsaufbau, bei dem sie ein Öltröpfchen in einer wässrigen Lösung zwischen zwei Glasplatten platzierten, wodurch eine kanalartige Umgebung entstand. Kleine Kunststoffteilchen in der Lösung stellten das Material dar, das von dem Mikroschwimmertropfen mitgeschleppt wurde. Die Verfolgung dieser Partikel unter dem Mikroskop ergab, dass sie zusammen mit dem sich bewegenden Öltröpfchen in der Flüssigkeit transportiert wurden.

Auf der Grundlage dieser experimentellen Beobachtung entwickelte Arnold Matthijssen von der University of Pennsylvania ein Modell zur Berechnung der kombinierten Transportkapazität eines Schwarms von Mikroschwimmern. Es stellte sich heraus, dass die Kapazität der transportierten Frachtpartikel im Vergleich zu einem Transportmechanismus, bei dem die Fracht im Inneren des Trägers transportiert wird, erheblich gesteigert werden kann.

Der Blumentopf und die Gießkanne

Diese Beobachtung bezieht sich auf eine häufige Herausforderung in der Biologie: Um Medikamente an bestimmte Stellen im Körper zu bringen, werden häufig Trägerkomponenten verwendet. Diese Shuttles für Medikamenten haben in der Regel ein begrenztes Fassungsvermögen und auch die Beladung der Transporter ist oft eine Herausforderung. Wie in diesem neuen Modell gezeigt wird, könnte das Mitziehen der Ladung durch die Nutzung gerichteter Mikroschwimmer daher ein möglicher alternativer Transportmechanismus sein. Das Modell des kollektiven Co-Transports lässt sich auch auf andere räumlich begrenzte Strukturen anwenden, z. B. auf den Transport von Nährstoffen und Signalmolekülen in komplexen Netzwerken oder den Transport von Stoffwechselprodukten an den Grenzflächen poröser Medien. Damit verbindet es die empirische Beobachtung des Transports durch Mikroschwimmer mit dem Prinzip des effizienten kollektiven Transports mit vielen Anwendungen in der Biologie und darüber hinaus.

"Dieses Prinzip ist vergleichbar mit der Erde in einem Blumentopf", veranschaulicht Corinna Maaß. "Der Boden bildet ein poröses Netzwerk mit vielen Kanälen für das Wasser. In einer solchen räumlich begrenzten Umgebung könnte man erwarten, dass Bodenbakterien Probleme haben, die Ladung mitzuziehen. Unsere Studie zeigt, dass genau das Gegenteil der Fall ist: Die Verdichtung der Strömung in den Kanälen macht den Transport effizienter, als wenn die Bakterien einfach frei in der Gießkanne herumschwimmen würden."

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