Die Physik der Parasiten

Wenn in der Dämmerung die Tiere der Serengeti an ihre Wasserlöcher wandern, warten dort schon räuberische Insekten auf sie. Die Tsetse-Fliege ist nicht wählerisch und saugt Blut von nahezu allen Tieren am Wasserloch, von Krokodilen, Zebras, Löwen oder Büffeln. Mit einer Art flexibler Stichsäge durchsticht sie auch robuste Haut, und kann während ihrer Blutmahlzeit mikroskopisch kleine Parasiten in die Wunde injizieren, die Trypanosomen.

Diese Einzeller sind eifrige Schwimmer und bewegen sich frei im Blutkreislauf des Wirtes. Sie können das Blut aber auch verlassen und zwischen den Zellen der Haut oder des Fettgewebes schwimmen. Trypanosomen können sogar die Blut-Hirnschranke überwinden und sich in der Gehirnflüssigkeit vermehren. Wie sie das schaffen, ist unbekannt.

Komplexe Reise durch die Fliege

Damit aber nicht genug: Wenn die Tsetse-Fliege ein bereits infiziertes Tier sticht, beginnt für die Parasiten mit etwas Glück erneut der mehrwöchige Lebenzyklus in einer komplett anderen Umgebung: dem Verdauungstrakt des blutsaugenden Insekts. Dort sind die Trypanosomen extremem Druck und den Bewegungen des Darms ausgesetzt. Sie müssen durch überaus komplex strukturierte und beengte Labyrinthe schwimmen, um letztlich wieder die Speicheldrüse der Fliege zu erreichen. Jeder einzelne Wechsel in der Mikro-Umwelt ist von einer Anpassung in der Form der Parasiten gekennzeichnet.

Und wenn die Tsetse-Fliege sich einen Menschen oder ein Nutztier für ihre Blutmahlzeit aussucht, dann werden die Trypanosomen zu Killern. Die Trypanosomiasis, auch Schlafkrankheit genannt, ist für Mensch und Rind tödlich.

Parasiten wie Trypanosoma stehen im Zentrum eines neuen Schwerpunktprogramms, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) jetzt eingerichtet hat. Die Arbeit aufnehmen soll es im kommenden Jahr; Koordinator des Programms „Physik des Parasitismus“, ist Professor Markus Engstler, Inhaber des Lehrstuhls für Zoologie I (Zell- und Entwicklungsbiologie) an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Start einer neuen Forschungsrichtung

„Physik des Parasitismus“? Müsste es nicht „Biologie des Parasitismus“ heißen? „Nein. Denn das Schwerpunktprogramm möchte eine neue Forschungsrichtung auf den Weg bringen. Im Mittelpunkt steht tatsächlich die Physik der Parasiten in ihren Wirten“, erklärt Markus Engstler. So wollen die an dem Programm beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise die physikalischen Bedingungen und die mechanischen Kräfte vermessen und verstehen, die überall dort wirken, wo es zu Kontakten zwischen Parasit und seinem Wirt kommt.

Darüber hinaus werden sie die „Materialeigenschaften“ von Parasiten untersuchen, die physikalischen Grundlagen ihrer Fortbewegung aufklären und die mechanischen Grundlagen ihrer Anhaftung an Wirtsstrukturen berechnen. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert das Schwerpunktprogramm in einzigartiger Weise Expertise aus Parasitologie, Zellbiologie, experimenteller und theoretischer Physik.

Anpassungen von großer Optimalität

Grundlage dieses neuen Ansatzes ist die Beobachtung, dass das Verhalten von Parasiten entscheidend von ihrer Anatomie, der Physik ihrer Fortbewegung und der Mechanik ihrer Bindung an Wirtsstrukturen beeinflusst wird. „Dabei hat die gemeinsame Evolution von Parasiten mit ihren Wirten für Anpassungen von großer Optimalität gesorgt“, erklärt Markus Engstler. Beispiele dafür sind parasitäre Werkzeuge wie Saugnäpfe und Schilde oder ausgeklügelte Bewegungsapparate, die eine Navigation in den diversen Körperflüssigkeiten sowie in beengten Räumen und hochviskosen Umgebungen erlauben.

Das Schwerpunktprogramm „Physik des Parasitismus“ öffnet nach den Worten der Beteiligten ein neues Kapitel in der Parasitologie, aber auch in der Physik. „Wir gehen davon aus, dass die Ergebnisse unserer interdisziplinären Bemühungen auch zu neuen Ansatzpunkten für die Bekämpfung von Parasiten führen werden“, sagt Engstler. Davon versprechen sich die Forscherinnen und Forscher viel. Schließlich werden Parasiten gegen einen Angriff auf ihre Mechanobiologie – anders als im Fall von chemischen Wirkstoffen – kaum Resistenzen entwickeln können.

Zahlreiche Parasiten im Blickpunkt

Das Programm kombiniert Physik, Mechanik und Simulationswissenschaften mit molekularer Biologie und Parasitologie. „Wir wollen die enormen Fortschritte in den Bereichen physikalischer Messtechnik und mathematischer Modellierung mit den neuen Methoden der Genommanipulation und quantitativer Bildgebung verbinden, um so ein neues Kapitel der Parasitologie in Deutschland aufzuschlagen“, so Markus Engstler.

Neben Trypansoma stehen weitere, experimentell zugänglichen Parasiten, die repräsentative Wirtsnischen besiedeln, im Blickpunkt der Wissenschaftler. Dazu gehören parasitäre einzellige Lebewesen wie Plasmodium, Toxoplasma und Giardia, sowie Vielzeller wie Fasciola und Echinococcus. Diese sind die Verursacher von Krankheiten wie Malaria, der Toxoplasmose oder von Darmerkrankungen; sie befallen die Leber oder breiten sich in Form von Bandwürmern im menschlichen Körper aus. Vor allem in unterentwickelten Ländern sind diese Parasiten weit verbreitet. Als vernachlässigte Tropenerkrankungen betreffen sie insbesondere den ärmsten Teil der Bevölkerung, der meist keinen Zugang zu ausreichender medizinischer Versorgung hat.

Schwerpunktprogramme der DFG

Insgesamt 14 neue Schwerpunktprogramme hat die DFG für das Jahr 2021 eingerichtet – quer durch alle Wissenschaftsbereiche und Fachgebiete. Die neuen Verbünde erhalten für zunächst drei Jahre insgesamt rund 85 Millionen Euro – davon stehen 6.6 Millionen Euro dem Programm „Physik des Parasitismus“ zur Verfügung.

Die Programme beschreiben jeweils das Oberthema des Schwerpunktprogramms. In den kommenden Monaten werden die Verbünde einzeln von der DFG ausgeschrieben, die anschließend die eingehenden Förderanträge auf ihre wissenschaftliche Qualität und ihren Beitrag zum jeweiligen Hauptthema prüfen wird.

Kontakt

Prof. Dr. Markus Engstler, Lehrstuhl für Zoologie I - Zell- und Entwicklungsbiologie, T: +49 931 31-80060, markus.engstler@biozentrum.uni-wuerzburg.de