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Forschung

Ersatz für biologische Experimente

Montag, 23. Februar 2015

Computer-Modell analysiert die Fortbewegung des Erregers der Schlafkrankheit

Links: Modell des Erregers in Ruhe und Bewegung, rechts: das echte Trypanosom
Lupe

Trypanosoma brucei heißt der unscheinbare einzellige Organismus, der die Schlafkrankheit auslöst – eine potenziell tödliche Krankheit. Einem Team um den Physiker Holger Stark ist es nun gelungen, den Schwimm-Mechanismus des Erregers im Computer zu simulieren.

Übertragen wird der Erreger von der Tsetsefliege. Im Blutkreislauf seiner Wirte vermehrt er sich massiv. Der Einzeller muss sich in den verschiedensten Umgebungen zurechtfinden: im Blutkreislauf der Säugetiere sowie in den Verdauungsorganen und in den Speicheldrüsen der Fliege. Fortbewegen kann er sich mit Hilfe eines außen an den spindelförmigen Zellkörper angehängten Flagellums (Fadens), durch dessen Schlag eine „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 an der TU Berlin, „unklar war aber, wie das Schwimmen funktioniert.“ Diesem Mechanismus sind er und seine Mitarbeiter zusammen mit Kollegen der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie der Universität Würzburg auf die Schliche gekommen. „Wir haben 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“, erklärt 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 aufwendiger oder gar unmöglich gewesen wären. „So testeten wir verschiedene Anheftungspunkte für das Flagellum und deren Auswirkungen auf das Schwimmverhalten in Wasser. 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.“

www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.1003967

Katharina Jung "TU intern" Februar 2015

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