Chemotaxis (griechisch chêmeia „Chemie“ und altgriechisch τάξις taxis „Ordnung, Aufmarsch“) bezeichnet die Beeinflussung der Fortbewegungsrichtung von Lebewesen oder Zellen durch Stoffkonzentrationsgradienten. Wird die Bewegung in einem solchen Gradienten in Richtung auf höhere Konzentrationen des Stoffes gesteuert, so bezeichnet man das als positive Chemotaxis und nennt den betreffenden Stoff Lockstoff oder Attractant. Wird die Bewegung in die umgekehrte Richtung gelenkt, nennt man das negative Chemotaxis und den betreffenden Stoff Schreckstoff oder Repellent. Positive Chemotaxis kann bei hoher Konzentration eines Stoffes in eine negative umschlagen.

Phylogenese und chemotaktische Signalisierung

Chemotaxis ist eine der grundlegendsten physiologischen Zellreaktionen. In den frühen Entwicklungsphasen der Phylogenese war das Entstehen von Rezeptorsystemen für die Erkennung von schädlichen und günstigen Substanzen für einzellige Organismen von bedeutendem Vorteil. Umfangreiche Analysen chemotaktischer Abläufe des eukaryotischen Protozoons Tetrahymena pyriformis und der Konsensussequenz auftretender Aminosäuren in der Ursuppe deuten auf eine gute Korrelation zwischen chemotaktischen Eigenschaften dieser relativ einfachen organischen Moleküle und der Entwicklung der Erde hin. Daher nahm man an, dass frühzeitig aufgetretene Moleküle (z. B. Glycin, Glutamin, Prolin) chemisch sehr anziehend wirken und später aufgetretene (z. B. Tyrosin, Tryptophan, Phenylalanin) chemisch abweisend wirken.

Bakterielle Chemotaxis

Bei Bakterien ist die Art der Steuerung der Chemotaxis verschieden je nach Art der Fortbewegung: freies Schwimmen mittels Flagellen oder mittels Drehung wendelförmiger Bakterien (Spirochäten), Kriechen auf Oberflächen fester oder gelartiger Untergründe (Myxobakterien, einige Cyanobakterien).

Bei Bakterien, die sich mittels Flagellen frei schwimmend in flüssigen Medium fortbewegen, ist zwischen polar und peritrich begeißelten Bakterien zu unterscheiden, also zwischen solchen, die nur an einem oder an zwei Enden („Polen“) Flagellen besitzen, und solchen, die mehrere Flagellen auf der gesamten Zelloberfläche verteilt tragen.

• Monopolar begeißelte Bakterien lassen ihre Geißeln entsprechend deren Wendelrichtung so um die Wendelachse rotieren, dass ein Vorschub erzeugt wird. Befinden sich mehrere Geißeln an dem begeißelten Zellende, so fügen sie sich dabei zu einem gewendelten, um die Wendelachse rotierenden Bündel (auch als Geißelzopf bezeichnet) zusammen. Der Bakterienkörper rotiert dabei mit einer geringeren Drehfrequenz in entgegengesetzter Richtung (Erhaltung des Drehimpulses).
• Bipolar begeißelte Bakterien lassen ihre Geißeln an einem Zellende wie die der monopolar begeißelten Bakterien rotieren, die Geißeln des anderen Zellendes werden jedoch über den Bakterienkörper zurückgeschlagen und rotieren (einzeln bzw. als Geißelbündel) um das Zellende.
• Peritrich begeißelte Bakterien lassen ihre Geißeln gleichsinnig rotieren, so dass sie sich dabei zu einem nach hinten gerichteten, wendelförmigen, um die Wendelachse rotierenden Geißelbündel („Geißelzopf“) zusammenlegen, wodurch ein Vorschub erzeugt wird. Wird die Drehrichtung der Geißeln umgekehrt, so richten sich die Geißeln nach verschiedenen Richtungen aus, die Vorschübe der einzelnen Geißeln heben sich ungefähr auf und das Bakterium taumelt um eine Stelle.

Das Problem bei der Chemotaxis von Bakterien ist, dass in der Größendimension der üblichen Bakterien (1 − 10 µm) der Stoffkonzentrationsgradient durch die Brownsche Molekularbewegung überdeckt wird. Dadurch kann ein Bakterium an einem bestimmten Ort im Stoffkonzentrationsfeld die Richtung des Gradienten nicht erkennen.

Der Ausweg besteht bei frei schwimmenden, polar begeißelten Bakterien darin, dass das Bakterium eine Strecke in einer zufällig festgelegten Richtung schwimmt. Steigt dabei die Stoffkonzentration entlang dieser Strecke, so behält es bei positiver Chemotaxis diese zufällig eingeschlagene Schwimmrichtung umso länger bei, je stärker die Konzentration steigt. Sinkt aber die Konzentration, so kehrt das Bakterium durch Umschaltung der Drehrichtung der Flagellen die Bewegungsrichtung sehr bald um. Dabei wird eine nicht genau, sondern nur ungefähr entgegengesetzte Schwimmrichtung eingeschlagen. Die Länge dieser zweiten Fortbewegungsphase hängt wiederum davon ab, ob die Stoffkonzentration dabei stärker oder schwächer steigt oder dabei fällt. Die jeweils zurückgelegte Strecke ist umso länger, je stärker die Stoffkonzentration steigt. Die Folge ist, dass sich das Bakterium in der Summe in Richtung steigender Konzentration bewegt. Bei negativer Chemotaxis verhält sich das Bakterium umgekehrt: Bei fallender Konzentration schwimmt es länger in der eingeschlagenen Richtung als bei steigender Konzentration. In der Summe bewegt sich dadurch das Bakterium in Richtung fallender Stoffkonzentration.

Frei schwimmende, peritrich begeißelte Bakterien verhalten sich etwas anders. Auch sie schwimmen zunächst eine Strecke in einer zufällig festgelegten Richtung. Auch sie behalten bei positiver Chemotaxis diese zufällig eingeschlagene Schwimmrichtung umso länger bei, je stärker die Konzentration steigt, und nur kurz, wenn die Konzentration sinkt. Danach gerät das Bakterium durch Umkehrung der Drehrichtung der auf der ganzen Oberfläche verteilten Flagellen – anders als polar begeißelte Bakterien – in eine Taumelbewegung und schlägt nach einer kurzen Taumelphase eine neue, wieder zufällige Fortbewegungsrichtung ein. Die Länge dieser zweiten Fortbewegungsphase hängt wiederum von der Änderung der Stoffkonzentration ab. Fortbewegung und Taumeln wechseln sich ständig ab und die zurückgelegte Strecke bei Fortbewegung ist umso länger, je stärker die Stoffkonzentration steigt. Die Folge ist, dass sich das Bakterium in der Summe in Richtung steigender Konzentration bewegt. Bei negativer Chemotaxis verhält sich das Bakterium umgekehrt: Bei fallender Konzentration schwimmt es länger in der eingeschlagenen Richtung als bei steigender Konzentration. In der Summe bewegt sich dadurch das Bakterium in Richtung fallender Stoffkonzentration.

Eukaryotische Chemotaxis

Der Mechanismus, der in Eukaryoten Anwendung findet, unterscheidet sich vom prokaryotischen. Dennoch bildet auch hier die Wahrnehmung des Stoffkonzentrationsgradienten die Grundlage. Aufgrund ihrer Größe können Prokaryoten effektive Konzentrationsgradienten nicht wittern; somit scannen und beurteilen sie ihre Umgebung durch stetiges Schwimmen (abwechselnd geradeaus oder rotierend). Eukaryoten wiederum sind in der Lage, Gradienten aufzuspüren, was sich in einer dynamischen und polarisierten Distribution von Rezeptoren der Plasmamembran niederschlägt. Induktion dieser Rezeptoren durch Attractanten oder Chemorepellenten löst eine Migration zur oder weg von der chemischen Substanz aus. Rezeptorlevel, intrazelluläre Signalbahnen und Effektormechanismen repräsentieren alle diverse Komponenten der eukaryotischen Chemotaxis. Hier sind amöboide Bewegung sowie Cilia bzw. Flagella charakteristische Effektoren unizellulärer Organismen (z. B. Amöbe, Tetrahymena). Einige Vertreter höherer vertebraler Herkunft, wie z. B. Immunzellen, bewegen sich ebenfalls dorthin, wo sie benötigt werden. Abgesehen von einigen immunkompetenten Zellen (Granulozyt, Monozyt, Lymphozyt) ist eine erstaunlich große Gruppe von Zellen – früher als gewebegebunden klassifiziert – in der Tat unter gewissen physiologischen (z. B. Mastzelle, Fibroblast, Endothelzelle) oder pathologischen Bedingungen (z. B. Metastase) fähig zur Migration. Chemotaxis ist auch in den frühen Phasen der Embryogenese von großer Bedeutung, da die Entwicklung der Keimblätter durch Konzentrationsgradienten von Botenstoffen gesteuert wird.

Klinischer Stellenwert

Ein verändertes migratorisches Potential der Zellen hat relativ große Bedeutung in der Entwicklung mehrerer klinischer Symptome und Syndrome. Modifizierte chemotaktische Aktivität extrazellulärer (z. B. Escherichia coli) oder intrazellulärer (z. B. Listeria monocytogenes) Pathogene ist von gewaltigem klinischen Interesse. Änderung der endogenen chemotaktischen Kompetenz dieser Mikroorganismen kann das Aufkommen von Infektionen oder die Verbreitung vieler ansteckenden Krankheiten verringern oder gar ausradieren. Abgesehen von infektiösen Erkrankungen gibt es einige andere Leiden, bei denen beeinträchtigte Chemotaxis den primären ätiologischen Faktor darstellt, so zum Beispiel im Chediak-Higashi-Syndrom, wo gigantische intrazelluläre Vesikel die normale Zellmigration hemmen.

Messung der Chemotaxis

Vielfältige Techniken sind vorhanden, um die chemotaktische Aktivität der Zelle bzw. den anziehenden oder abstoßenden Charakter des Liganden zu evaluieren. Die Grundvoraussetzungen der Messung sind folgende:

• Stoffkonzentrationsgradienten können sich innerhalb des Systems recht schnell entwickeln und bleiben lang erhalten
• Chemotaktische und chemokinetische Aktivitäten sind profiliert
• Zellmigration ist zur und weg von der Achse des Konzentrationsgradienten möglich
• Erfasste Reaktionen sind tatsächlich das Resultat der aktiven Zellmigration

Abgesehen davon, dass es noch keine ideale chemotaktische Untersuchung gibt, weisen einige Protokolle und Ausrüstungsgegenstände Einklang mit den oben beschriebenen Konditionen auf. Am meisten angewendet werden:

• Agar-Probe, z. B. PP-Kammer
• Zwei-Kammer Techniken, z. B. Boyden-Kammer, Zigmond-Kammer, Dunn-Kammern, Multi-gut-Kammern, Kapillartechniken
• Andere: T-Maze Methode, Opaleszenz-Technik, Orientationsproben

Damit eine Zelle sich bewegen kann, benötigt sie einige zelluläre Komponenten (wie z. B. zelluläre Motoren, verschiedene Enzyme etc.). Weiterhin muss sie in der Lage sein, ihre Form zu verändern. Im Allgemeinen spricht man von zwei Typen der Zell-Lokomotion:

• Hapoptatisch (Bewegung aufgrund physischer und mechanischer Stimuli)
• Chemotaktisch (Migration als Antwort auf einen chemischen Gradienten)

Theoretische Beschreibung

Die Frage nach der zeitlichen Entwicklung der Konzentration chemotaktisch erregbarer Zellen bzw. Lebewesen in einem Volumen führt unter Ausnutzung des gaußschen Integralsatzes auf die partielle Differentialgleichung ${\displaystyle {\frac {\partial {u}}{\partial {t}}}+\nabla J=0.}$ Dabei hat der Fluss ${\displaystyle J}$ üblicherweise neben der chemotaktisch induzierten Bewegung entlang des Gradienten auch noch eine Diffusionskomponente. Die Gleichung nimmt damit die Form ${\displaystyle {\frac {\partial {u}}{\partial {t}}}+\nabla J_{\rm {chemo}}-\nabla D\nabla u=0}$ an. Dabei bezeichnet ${\displaystyle D}$ eine Diffusionskonstante. Neben diesem einfachsten Fall existieren in der theoretischen Biologie mathematische Beschreibungen komplexerer Situationen, in denen beispielsweise die chemotaktisch aktive Substanz von den Zellen selbst produziert werden kann.

Geschichte der Chemotaxisforschung

Fortbewegung von Lebewesen und Zellen wurde erstmals bei der Entwicklung von Mikroskopen entdeckt (Leeuwenhoek). Eingehendere Untersuchungen, auch schon zur Chemotaxis, wurden von Theodor Wilhelm Engelmann (1881) und Wilhelm Pfeffer (1884) im Bereich der Bakterien und von H. S. Jennings (1906) im Bereich von Ziliaten gemacht.

Der Nobelpreisträger Ilja Iljitsch Metschnikow hat mit seinen Studien der Phagozytose zu weiteren Fortschritten beigetragen. Die Wichtigkeit der Chemotaxis in der Biologie und der klinischen Pathologie wurde weitgehend in den 1930er Jahren erkannt. Während dieser Zeit wurden grundlegende Definitionen zu diesem Thema entworfen. H. Harris hat während der 1950er Jahre die allerwichtigsten Qualitätskontrollmethoden für Chemotaxis-Tests beschrieben.

In den 1960ern und 1970ern hat der Durchbruch in der modernen Zellbiologie und in der Biochemie das Fundament für neue Methoden gelegt, die die Erforschung von migratorischen Responderzellen und Subzellfraktionen, die für die Chemotaxis von Zellen verantwortlich sind, ermöglichten. Die bahnbrechenden Studien von J. Adler stellten einen bedeutenden Wendepunkt im Verständnis des gesamten Prozesses der intrazellularen Signalübertragung von Bakterien dar. Am 3. November 2006 wurde Dennis Bray, Universität Cambridge, mit dem Microsoft European Science Award für seine Studien der Chemotaxis von Escherichia coli ausgezeichnet.

Siehe auch

• Genetisches Matching

Quellen

1. ↑ Amino acids. Abgerufen am 21. Januar 2009, englisch.
2. ↑ Howard C. Berg: E. coli in Motion. In: Springer-Verlag, Berlin. ISBN 0-387-00888-8. Jahrgang, 2003. 
3. ↑ Laszlo Köhidai: Chemotaxis as an Expression of Communication of Tetrahymena. In: Guenther Witzany, Mariusz Nowacki (Hrsg.): Biocommunication of Ciliates. Springer, Switzerland 2016, ISBN 978-3-319-32209-4, S. 65–82. 
4. ↑ L. Kohidai L, G. Csaba: Chemotaxis and chemotactic selection induced with cytokines (IL-8, RANTES and TNF alpha) in the unicellular Tetrahymena pyriformis. In: Cytokine. 10. Jahrgang, 1988, S. 481–6, PMID 9702410. 
5. ↑ Nicholas F. Britton: Essential Mathematical Biology. Springer-Verlag, 2004, ISBN 978-1-85233-536-6.
6. ↑ Julius Adler, Wung-Wai Tso: Decision-Making in Bacteria: Chemotactic Response of Escherichia Coli to Conflicting Stimuli. In: Science. 184. Jahrgang, 1974, S. 1292–4, PMID 4598187. 
7. ↑ Rob Knies: U.K. Professor Captures Inaugural European Science Award. Abgerufen am 21. Januar 2009, englisch.
8. ↑ Computer bug study wins top prize. In: BBC News. Abgerufen am 21. Januar 2009, englisch.

Weblinks

• Chemotaxis (englisch)
• Cell Migration Gateway (englisch)
• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter: Bacterial Chemotaxis Depends on a Two-Component Signaling Pathway Activated by Histidine-Kinase-associated Receptors. In: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage, englisch.
• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter: The two-component signaling pathway that enables chemotaxis receptors to control the flagellar motor during bacterial chemotaxis. In: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage, englisch.
• Freies Tool basierend auf ImageJ zur Analyse von chemotaktischen Prozessen (englisch)