23.04.2026
Steif, aber beweglich: Forschende entdecken einen zentralen Mechanismus der Bewegungssteuerung von Kieselalgen
Kieselalgen-Pfade visualisiert. Jede Spur verfolgt den Weg einer Kieselalge über eine Stunde hinweg. Die Aufnahme macht sichtbar, wie sich diese Kleinstlebewesen trotz ihrer starren Hülle agil über die Oberfläche bewegen.
Mobilität ist für lebende Organismen essenziell, da sie es ihnen ermöglicht, auf ihre Umwelt zu reagieren und sich in Richtung günstiger Umweltbedingungen zu bewegen. Doch wie Kieselalgen – einzellige Algen, die in starren, glasartigen Hüllen eingeschlossen sind – sich ohne Formveränderungen oder äußere Anhänge schnell fortbewegen und drehen können, blieb lange ein Rätsel. Ein interdisziplinäres Team unter der Leitung von Prof. Stefan Diez und Dr. Nicole Poulsen am B CUBE – Center for Molecular Bioengineering hat nun einen überraschend einfachen Mechanismus aufgedeckt: Kieselalgen steuern, indem sie die Kontaktstelle ihrer Zellwand mit der darunterliegenden Oberfläche verschieben.
Kieselalgen gehören zu den wichtigsten Mikroorganismen auf der Erde und spielen eine entscheidende Rolle bei der globalen Sauerstoffproduktion sowie der Aufnahme von Kohlendioxid. Diese Zellen sind von starren Silikathüllen umgeben – im Grunde mikroskopische „Glashäuser“ – was ihre Beweglichkeit umso rätselhafter erscheinen lässt.
„Kieselalgen können sich auf sehr unterschiedlichen Bahnen bewegen – manchmal geradeaus, manchmal in engen Kreisen“, sagt Dr. Nicole Poulsen, Senior Wissenschaftlerin am B CUBE und Co-Leiterin der Studie. „Doch ihre Zellwände sind starr und können sich nicht biegen. Bislang war unklar, wie sie ihre Richtung so schnell ändern können, ohne flexible Strukturen oder äußere Anhänge wie Zilien.“
Um dieser langjährigen Frage nachzugehen, kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am B CUBE ihre Expertise in der Biophysik der Zellbewegung und der Zellbiologie von Kieselalgen. Das Team nutzte hochpräzises Tracking einzelner Zellen, Elektronenmikroskopie und arbeitete für die mathematische Modellierung mit der Gruppe von Prof. Ulrich Schwarz an der Universität Heidelberg zusammen.
Die Forschenden zeichneten stundenlang hochauflösendes Videomaterial von Kieselalgen auf, die sich über Oberflächen bewegen. „Wir verfolgten anschließend die Bewegung von Hunderten einzelner Zellen und analysierten die Form ihrer Bahnen. Es überraschte uns, dass sich ihre Bewegung abrupt ändern konnte – von nahezu geraden Linien zu engen Kreisbewegungen – was für eine Zelle, die von einer starren Glaswand umgeben ist, sehr kontraintuitiv ist“, sagt Dr. Stefan Golfier, Autor der Studie.
Eine genauere Untersuchung mithilfe von optischer Interferenz-Reflexionsmikroskopie und Elektronenmikroskopie offenbarte den zugrunde liegenden Mechanismus: Die Zellwände der Kieselalgen enthalten gekrümmte Schlitze, sogenannte Raphe-Branches, über die die Kräfte für das Gleiten übertragen werden. Das Team konnte zeigen, dass Kieselalgen durch das Kippen ihrer starren Hüllen eine Seite von der Oberfläche abheben und dadurch unterschiedliche Abschnitte ihrer Raphe-Äste aktivieren können. Die lokale Krümmung des jeweils genutzten Abschnitts bestimmt dann die Krümmung der Zellbahn.
„Immer wenn eine Kieselalge eine Seite anhebt, beginnt die Zelle sich stark zu drehen. Wenn beide Seiten Kontakt mit der Oberfläche haben, bewegt sich die Zelle geradlinig“, erklärt Golfier.
Aufbauend auf diesen Beobachtungen entwickelte das Team theoretischer Physiker in Heidelberg ein mathematisches Modell des Gleitmechanismus, das die mikroskopische Geometrie der Raphen mit den makroskopischen, unter dem Lichtmikroskop beobachteten Trajektorien verknüpft. Dieses Modell liefert starke Hinweise darauf, dass Kieselalgen die Verteilung der Kräfte auf kurzen Raphe-Segmenten dynamisch anpassen können, um ihre Bewegung zu steuern.
„Wir haben ein einfaches physikalisches Prinzip aufgedeckt, das es einer starren Einzelzelle ermöglicht, sich dynamisch zu orientieren“, sagt Prof. Stefan Diez. „Diese Erkenntnisse aus der Natur könnten die Entwicklung robuster Maschinen im kleinsten Maßstab inspirieren und ein jahrzehntealtes Rätsel lösen: wie bewegliche Kieselalgen sich auf diese Weise fortbewegen können.“
Förderung
Die Arbeit wurde durch einen Nucleation Grant des Exzellenzclusters Physics of Life (PoL) unterstützt. PoL Nucleation Grants fördern die Initiierung neuer, innovativer Projektideen und Kooperationen zwischen PoL-Mitgliedsgruppen.
Originale Veröffentlichung
Stefan Golfier, Veikko F. Geyer, Leon Lettermann, Ulrich S. Schwarz, Nicole Poulsen, Stefan Diez: Dynamic switching of cell-substrate contact sites allows gliding diatoms to modulate the curvature of their paths. PNAS (April 2026)
Link: https://doi.org/10.1073/pnas.2506122123