13.11.2024

Selbstorganisation lebender Materie

Neues Modell liefert Erkenntnisse für technische Anwendungen bei der Bildung von Strukturen.

Fadenförmige Cyano­bakterien sammeln sich in Bereichen mit für sie günstigen Lichtverhält­nissen an und nutzen die dortige Lichtenergie für Photosynthese. Typischerweise bilden diese Mikro­organismen lange Filamente aus vielen Zellen. Allerdings können sich die fadenförmigen Strukturen lediglich vorwärts oder rückwärts bewegen – beim Verlassen des beleuchteten Bereiches kehren sie ihre Bewegung um, und bleiben so im Hellen. Forschende vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbst­organisation haben die sich daraus ergebenden Organisations­strukturen untersucht. Es zeigte sich, dass erst die gegenseitige Wechselwirkung mehrerer Filamente dazu führt, dass sich die Cyano­bakterien am Innenrand der beleuchteten Fläche ausrichten und dadurch stabile Strukturen bilden können.

Abb.: 3D-Visualisierung von Cyanobakterien, die sich durch Selbstorganisation...
Abb.: 3D-Visualisierung von Cyanobakterien, die sich durch Selbstorganisation entlang den Rändern einer beleuchteten Kreisfläche ausrichten.
Quelle: Karpitschka, MPI-DS

Die Forschenden haben dafür mehrere Kulturen von Cyanobakterien in Petrischalen präpariert und beleuchtet. Mit Hilfe von Filtern erzeugten sie verschiedene Lichtmuster und beobachteten anschließend die Selbst­organisation der Bakterien. Bei einem kreisförmigen Lichtmuster sammelten sich die Bakterien vorwiegend am Rand der beleuchteten Fläche an. Bei dreieckigen, trapezförmigen oder anderen beleuchteten Flächen zeigten sich ebenfalls charakteristische Muster aus Filamenten in der Nähe zur Randzone des Lichts. „Das Bemerkenswerte ist, dass die Bakterien sich auch entlang komplexer Strukturen und Kurven arrangieren, obwohl sie sich nur vor- oder zurück bewegen können“, sagt Stefan Karpitschka. „Dies ist ein typisches Beispiel für Emergenz – aus dem individuellen Verhalten eines einzelnen Filaments ergibt sich auf einer höheren Ebene selbstständig eine charak­teristische Gesamtstruktur“, fährt er fort.

Die Erkenntnisse aus den Experimenten und dem daraus resultierenden Modell lassen sich auch auf lebende Materie mit vergleich­barer Morphologie anwenden. „Das Modell enthält keine spezifischen Details zur Biologie der Bakterien“, sagt Leila Abbaspour. „Dieser kollektive Effekt kann also auch in ähnlichen Systemen beobachtet werden und aktive Filamente in die Lage versetzen, sich trotz eindimen­sionaler Motilität entsprechend den sensorischen Hinweisen aus ihrer Umgebung zu strukturieren“, sagt ihr Kollege Maximilian Kurjahn.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern somit wichtige Erkenntnisse, die beispielsweise beim Design von intelli­genten Textilien oder Materialien zum Einsatz kommen können. Diese neuartigen Strukturen und Gewebe basieren ebenfalls auf der Anordnung von einzelnen Fasern und aktiven Filamenten. Durch derartige Mechanismen der Selbst­organisation lassen sich somit möglicher­weise neue innovative Materialien entwickeln.

MPI-DS / JOL

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen