Mikroschwimmern auf der Spur
“Unser Wissen über die dreidimensionale Navigation war bislang dürftig, da es technisch sehr anspruchsvoll ist, frei schwimmende Spermien unter dem Mikroskop zu verfolgen, ergänzt Benjamin Kaupp. Bisher beobachtete man die schnellen Mikroschwimmer meist in flachen Beobachtungskammern, also in einem zweidimensionalen Umfeld. „Mithilfe der Holographie konnten wir die Bewegung von Spermien nun aber erstmals in 3D aufzeichnen. Wir haben dazu chemische ‘Landschaften’ des Lockstoffes mit photonischen Methoden erzeugt, also den Lockstoff mit Licht freigesetzt”, erklärt der Wissenschaftler.
Die Protagonisten ihrer Beobachtungen waren Spermien von Seeigeln. Von ihnen sind im Gegensatz zu Säugetier-Spermien die Lockstoffe der Eizelle genau bekannt. Die Mission der Seeigel-Spermien ist außerdem besonders anspruchsvoll, erklären die Forscher. Denn um sich fortzupflanzen, geben die Meerestiere ihre Spermien frei ins Wasser ab. Hier müssen sie die nur ein Zehntel Millimeter großen Eizellen finden. Mithilfe ihrer Kombination von holographischer Mikroskopie und dem Einsatz licht-aktivierbarer Lockstoffe erfassten die Wissenschaftler nun, wie den Winzlingen dies gelingt: Sie zeichneten die Bewegung der Spermien auf, während diese einem Lockstoffgradienten folgten.
Raffiniert der „Nase” nach
Die Ergebnisse dokumentierten die anspruchsvollen „Rechenoperationen”, welche die Einzeller während ihrer Navigation durchführen. Im Gegensatz zu mobilen Bakterienarten, die auf ihrer Suche nach Nahrung die Richtung immer wieder zufällig einschlagen, verfolgen die Spermien eine „berechnete” Suchstrategie, sagen die Forscher. Je nach Lockstoffkonzentration führen sie unterschiedliche Steuerungsmanöver durch, zeichnete sich in den 3D-Untersuchuungen ab: Führt die Spur auf das Ei zu, bleiben die Spermien weitgehend auf Kurs. Beginnt es hingegen immer weniger nach Ei zu „riechen” – haben sie die Fährte also verloren – drehen sie ruckartig um. Die Forscher konnten zudem Einblicke in die zellulären Mechanismen gewinnen, die diesem Steuerungssystem zugrunde liegen.
Die Studie veranschaulicht in bisher unerreichter Weise, mit welch hoher Komplexität Spermien eine chemische Landschaft erkunden können und wie sie diese Informationen nutzen, um ihren Antrieb zu kontrollieren. Ihr Untersuchungskonzept könnte nun auch das Verhalten anderer Mikroschwimmer in dreidimensionalen Umgebungen aufzeigen, sagen die Forscher.
