Ersatz für biologische Experimente
Mit Hilfe eines Computer-Modells konnten Physiker die Fortbewegung des Erregers der Schlafkrankheit analysieren
Trypanosoma brucei heißt der unscheinbare einzellige Organismus, der die Schlafkrankheit auslöst – eine sowohl für Menschen wie für Tiere potentiell tödliche Krankheit. Übertragen wird der Erreger von der Tsetse-Fliege. Im Blutkreislauf seiner Wirte vermehrt er sich massiv und kann dann – beim nächsten Biss der Fliege – wieder aufgenommen und weiter verbreitet werden. Innerhalb der Fliege durchläuft der Erreger verschiedene morphologische Formen.
Die Abbildung A zeigt das von den Wissenschaftlern erstellte Computer-Modell des Zellkörpers des Trypanosoms mit dem angehängten Flagellum (blauer Faden). Abbildung B und C sind Schnappschüsse der Schwimmbewegung des Modells. Abbildungen D – F sind Mikroskopieaufnahmen eines realen Trypanosoms während seiner Schwimmbewegung.
© TU Berlin, Universität Würzburg
Im Laufe seines Lebens muss sich der Einzeller in den verschiedensten Umgebungen zurechtfinden: Im Blutkreislauf der Säugetiere sowie in den Verdauungsorganen und in den Speicheldrüsen der Fliege. Fortbewegen kann er sich in allen Fällen mit Hilfe eines außen an den spindelförmigen Zellkörper angehängten Flagellums (Fadens) durch dessen Schlag eine sogenannte „interne Biegewelle“ ausgelöst wird.
„Dass das Trypanosom mit Hilfe des Flagellums schwimmt, war klar“, so Prof. Dr. Holger Stark, Leiter der Arbeitsgruppe Statistische Physik weicher Materie und biologischer Systeme am Institut für Theoretische Physik der TU Berlin, „unklar war aber, wie genau das Schwimmen funktioniert.“ Diesem Mechanismus sind Holger Stark und seine Mitarbeiter zusammen mit Kollegen der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie der Universität Würzburg auf die Schliche gekommen.
„Dazu haben wir anhand von detaillierten Videoaufnahmen, die unter dem Mikroskop der Würzburger Kollegen entstanden sind, ein sogenanntes in silico (Computer-)Modell erstellt und es in zahlreichen Versuchsreihen so nahe wie möglich an die Realität angeglichen. Dabei besteht die größte Schwierigkeit bei solchen numerischen Modellen darin, den Zellkörper so zu modulieren, dass er auch während der Schwimmbewegungen stabil bleibt“, weiß Holger Stark.
Nachdem dieser Schritt gelungen war, konnte der Mitarbeiter von Holger Stark, Dr. Davod Alizadehrad, an dem Modell Experimente simulieren, die in einem biologischen Versuch ungleich aufwändiger oder gar unmöglich gewesen wären. „Zum Beispiel haben wir verschiedene Anheftungspunkte für das Flagellum und deren Auswirkungen auf das Schwimmverhalten in Wasser getestet. In dem Original ist das Flagellum in einer halben Spirale um den Zellkörper angeheftet. In dem in silico Modell haben wir diese Spirale vergrößert oder verkleinert und konnten zeigen, dass jede Veränderung gegenüber der Original-Anheftung des Flagellums die Schwimmgeschwindigkeit des Trypanosoms deutlich herabsetzt. Die Evolution hat da also die optimale Struktur gefunden.“
In den nächsten Schritten soll untersucht werden, wie sich die Form des Trypanosoms und seine Schwimmbewegung, abhängig von den verschiedenen Flüssigkeiten, in denen es sich bewegt, verändern. „Trypanosomen schwimmen zum Beispiel in elastisch-viskosen Flüssigkeiten wie Blut schneller als in Wasser. Indem wir in unseren Simulationen Hindernisse wie die roten Blutkörperchen aufnehmen, können wir genau studieren, wie das möglich ist. Auch die Entwicklung des Trypanosoms innerhalb der Tsetse-Fliege ist bislang weniger charakterisiert. Hier kann das in silico Modell wertvolle Unterstützung leisten, indem es simuliert, wie die morphologischen Veränderungen die Fortbewegung oder auch die Interaktion des Erregers mit seiner Umgebung beeinflussen“, so Holger Stark zu der Zukunft des Projektes. „Erste Schritte dazu sind getan.“
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