Malaria-Parasiten bewegen sich auf rechtshändigen Spiralen

Plasmodien bewegen sich spiralförmig im Gewebe fort. Laut einer Studie der Universität Heidelberg beeinflusst der besondere Körperbau der Parasiten diese Fortbewegung – und ermöglicht ihm so den Wechsel zwischen Gewebekompartimenten.

Der Malaria-Erreger Plasmodium wird von der Speicheldrüse der Mücke in die Haut des Wirts übertragen. In diesem frühen Stadium weist der einzellige Parasit einen mondsichelförmigen Körperbau auf. Diese ungewöhnliche Zellform ist für die charakteristischen spiralförmigen Bewegungen der sogenannten Sporozoiten verantwortlich.

Sie erleichtern es dem Erreger, sich zum Beispiel um Blutgefäße zu winden oder Halt in umliegendem Gewebe zu finden, wie Physiker Ulrich Schwarz und Malaria-Forscher Friedrich Frischknecht in gemeinsamen Vorgängerstudien nachweisen konnten. „Unsere neuen Untersuchungen zeigen, dass sich Malaria-Parasiten in dreidimensionalen Umgebungen fast ausschließlich auf rechtshändigen Spiralen bewegen“, erläutert Schwarz, vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg.

Chiralität ermöglicht Wechsel zwischen Geweben

Die Wissenschaftler untersuchten deshalb, welche biologische Funktion die rechtsdrehende Art der Fortbewegung haben könnte. Als Gewebeersatz nutzten sie synthetische Hydrogele, die den Einsatz hochauflösender bildgebender Verfahren und einen quantitativen Vergleich mit Computersimulationen der Zellbewegung ermöglichen. Dabei entdeckten die Forschenden, dass sich die Parasiten am Boden des Hydrogels anders verhalten als wenn sie direkt aus einer flüssigen Lösung auf ein Glasplättchen aufgebracht werden. In dem einen Fall drehen sie sich auf dem Glas im Uhrzeigersinn, in dem anderen gegen den Uhrzeigersinn. Die Wissenschaftler schließen daraus, dass die rechtsdrehende Bewegung bestimmt, wie der Parasit von einem Kompartiment in ein anderes eindringt.

„Wir vermuten, dass sich diese Chiralität im Laufe der Evolution ausgebildet hat, damit der Erreger schnell und immer in der gleichen Art und Weise zwischen den verschiedenen Gewebekompartimenten im Wirtskörper wechseln kann“, so Frischknecht, vom Center for Integrative Infectious Diseases Research des Universitätsklinikums Heidelberg.

Fortbewegung wird durch Körperbau beeinflusst

Die unterschiedlichen Bewegungsmuster könnten zudem erklären, warum die Sporozoiten in bisherigen Laborversuchen kaum erfolgreich darin waren, in Leberzellen einzudringen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass es einen großen Unterschied macht, ob die Erreger direkt auf Glas aufgetragen werden oder sich erst durch ein Gewebe bewegen“, erläutert Mirko Singer, Postdoktorand in der Gruppe von Frischknecht. Die aktuellen Erkenntnisse zur Fortbewegung der Parasiten könnten dazu beitragen, experimentelle Assays zu verbessern und neue Ansätze der Infektionsprävention zu entwickeln.

Durch die Kombination von hochauflösender Bildgebung und mathematischen Modellen gelang es dem Team auch, den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus aufzudecken. Aus theoretischen Arbeiten war bekannt, wie die besondere Form des Parasiten seine Fortbewegung beeinflusst. „Unsere Computersimulationen haben bestätigt, dass nur eine Asymmetrie am vorderen Ende der Parasiten für die im Experiment beobachteten Bewegungsmuster verantwortlich sein kann“, so Leon Lettermann, Doktorand in der Gruppe von Schwarz. Unter einem superauflösenden Mikroskop konnten die Wissenschaftler eine Besonderheit im Körperbau der Parasiten identifizieren, die zu einer ungleichen Kraftverteilung entlang des Körpers führt.

Die Forschungsarbeiten waren Teil des DFG-Schwerpunktprogramms „Physik des Parasitismus“. An den Untersuchungen waren auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Johns Hopkins University in Baltimore (USA) beteiligt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ erschienen.