Die Mechanik von Malaria

Die Krankheit Malaria wird von einzelligen Parasiten ausgelöst, die sich vor der Übertragung auf den Menschen in der Speichel­drüse von Moskitos in größeren Gruppen ansammeln. Bewegen können sie sich dort aufgrund der räumlichen Enge eigentlich nicht, außer diese Beschränkung wird durch eine geeignete experimentelle Präparation aufgehoben. In solchen Experimenten haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg die Erreger in Bewegung versetzt und die aufgezeichneten Bilddaten mit modernen Methoden der Bild­verarbeitung ausgewertet. Die Daten zeigen, dass die sich kollektiv bewegenden Erreger Wirbelsysteme bilden, die stark von physikalischen Prinzipien bestimmt werden. Mithilfe spezieller Computer­simulationen konnten sie die Mechanismen ermitteln, die diesen rotierenden Bewegungen zugrunde liegen.

Die kollektive Bewegung von biologischen Organismen ist ein weitverbreitetes Phänomen der natürlichen Welt. So bewegen sich Insekten oder Fische gerne in Schwärmen. Eine Bewegung im Kollektiv findet auch oft auf der zellulären Ebene statt, zum Beispiel wenn Krebszellen aus einem Tumor auswandern oder Bakterien einen Biofilm bilden. Das Zusammenwirken vieler Individuen kann zu emergentem Verhalten führen – neuen Eigenschaften, die es in dieser Form sonst nicht geben würde. „In der Physik entstehen durch Kollektivität so wichtige Prozesse wie Phasen­übergänge, Supra­leitung oder magnetische Eigenschaften“, erläutert Ulrich Schwarz, Leiter der Arbeits­gruppe „Physik komplexer Biosysteme“ am Institut für theoretische Physik der Universität Heidelberg. In einer interdisziplinären Studie hat er jetzt mit Friedrich Frischknecht (Malaria-Forschung) und Karl Rohr (Biomedizinische Bildanalyse) gezeigt, dass kollektive Bewegung auch beim Malaria-Erreger Plasmodium auftreten kann.

Der Einzeller wird durch den Stich eines Moskitos in die Haut übertragen und entwickelt sich dann zuerst in der Leber und danach im Blut weiter fort. Da Plasmodium in den meisten Stadien als Einzelzelle agiert, wurden seine kollektiven Eigenschaften bisher kaum untersucht. In der Speicheldrüse des Moskitos hat der Parasit eine lange und gekrümmte Form, die einer Mondsichel ähnelt und Sporozoit genannt wird. „Sobald Sporozoiten durch den Moskito in die Haut injiziert werden, beginnt eine schnelle Bewegung einzelner Parasiten in Richtung der Blutgefäße. Dabei handelt es sich um die kritische Phase der Infektion, da diese nur dann erfolgreich ist, wenn ein Erreger die Blutbahn erreicht“, betont Frischknecht.

In ihren Untersuchungen am Zentrum für Infektiologie des Universitäts­klinikums Heidelberg haben Friedrich Frischknecht und sein Team entdeckt, dass die in den infizierten Speicheldrüsen enthaltenen Parasiten als Kollektive mobilisiert werden können. Dazu wird dem Moskito die Speichel­drüse entnommen und behutsam zwischen zwei Glas­plättchen gedrückt. Es ist eine unerwartete Entdeckung, dass die mond­sichelartigen Zellen in der neuen Präparation rotierende Wirbel bilden. Sie erinnern an die kollektiven Bewegungen von Bakterien oder Fischen, unterscheiden sich von diesen aber darin, dass sie immer in die gleiche Richtung drehen. Die Parasiten-Wirbel besitzen damit einen chiralen Charakter und – auch das unerwartet – zeigen Schwankungen in ihrer Größe. Diese Oszillationen lassen, so Frischknecht, auf emergente Eigenschaften schließen, da sie nur im Kollektiv der sich bewegenden Zellen möglich sind und bei größeren Wirbeln stärker werden.

Um diese Phänomene genauer zu verstehen, haben die Forscher die experimentellen Daten quantitativ ausgewertet. Die Gruppen von Ulrich Schwarz und Karl Rohr, Leiter der Biomedical Computer Vision Group am BioQuant-Zentrum der Universität Heidelberg, nutzten dazu moderne Methoden der Bild­verarbeitung. Sie konnten damit einzelne Parasiten in den rotierenden Wirbeln verfolgen und ihre Geschwindigkeiten sowie ihre Krümmungen vermessen. Mithilfe Agenten-basierter Computer­simulationen war es möglich, genau diejenigen Gesetz­mäßigkeiten zu identifizieren, die alle Aspekte der experimentellen Beobachtungen erklären können. Das Zusammen­spiel von aktiver Bewegung, gekrümmter Form der Zelle und Chiralität in Verbindung mit mechanischer Flexibilität reicht dabei aus, um die Sortier- und Oszillations­phänomene in den Parasiten-Wirbeln zu begründen. Die von den Wissenschaftlern beobachteten Oszillationen entstehen dadurch, dass die Bewegung der einzelnen Erreger in elastische Energie umgewandelt wird, die in den Wirbeln gespeichert ist. „Unser neues Modell­system bietet die Möglichkeit, die Physik von Kollektiven mit elastischen Eigenschaften besser zu verstehen und in Zukunft vielleicht für technische Anwendungen nutzbar zu machen“, betont Physiker Ulrich Schwarz.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, wie genau die Chiralität der Bewegung entsteht. Der Aufbau von Sporozoiten legt verschiedene Möglichkeiten nahe, die in Experimenten mit genetischen Mutationen untersucht werden können. Erste Computer­simulationen haben bereits ergeben, dass sich rechts- und linksdrehende Parasiten schnell „entmischen“ und getrennte Wirbelsysteme erzeugen. Ein besseres Verständnis der zugrunde­liegenden molekularen Mechanismen könnte neue Wege erschließen, um die am Anfang jeder Malaria-Infektion stehende Bewegung von Sporozoiten zu stören. „Unsere Studie hat auf jeden Fall gezeigt, dass die Mechanik der Erreger dabei eine sehr wichtige, bisher übersehene Rolle spielt – eine Erkenntnis, die neue Perspektiven auch für medizinische Inter­ventionen eröffnet“, so Infektiologe Friedrich Frischknecht.

U. Heidelberg / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Patra et al.: Collective migration reveals mechanical flexibility of malaria parasites, Nat. Phys. 18, 586 (2022); DOI: 10.1038/s41567-022-01583-2
• Physics of Complex Biosystems (U. Schwarz), Universität Heidelberg
• Sonderforschungsbereich 1129 „Integrative Analyse der Replikation und Ausbreitung pathogener Erreger“, Universität Heidelberg