Forschungs-Nachricht

Reconstruction of the three-dimensional beat pattern underlying swimming behaviors of sperm

Spermien von verschiedenen Tieren müssen ihren Weg zur Eizelle in ganz unterschiedlichen Umgebungen finden. Zum Beispiel schwimmen Spermien von Seeigeln frei im Ozean, während menschliche Spermien das Ei in den komplizierten und engen Passagen des weiblichen Genitaltrakts finden müssen. Während Spermien von Seeigeln auf Spiralen oder Kreisen schwimmen, schwimmen menschliche Spermien in geraderen Bahnen und rollen dabei um die eigene Achse. Zum Schwimmen benutzen die Spermien ihren Schwanz, das Flagellum. Wie können durch das Schlagen eines Flagellums unterschiedliche Schwimm "stile" entstehen? Eine detaillierte Analyse der Schwimmstile und des Geißelschlages ist eine Herausforderung, da die herkömmliche Mikroskopie nur eine Ebene abbilden kann. Zudem ist der Schlag des Flagellums schnell, so dass Rastermikroskope die Flagellarbewegung nicht erfassen können. Infolgedessen lieferten die meisten Studien nur 2D- oder semiquantitative 3D-Informationen.

Eine neue Studie von caesar-Forschern liefert nun neue Einblicke in die Dynamik des Geißelschlages und des Schwimmverhaltens. Der Artikel zeigt qualitativ hochwertige Aufnahmen von dreidimensionalen Flagellar-Biegewellen von verschiedenen Spermienarten. Seeigelspermien weisen ein fast planares Schlagmuster auf, das zu einem Schwimmen entlang von spiralförmigen Bahnen führt. Im Gegensatz dazu zeigen Säugetierspermien ein ausgeprägtes nicht-planares Schlagmuster, das zum Rollen und Schwimmen entlang langgestreckter gekrümmter Bahnen führt. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die flagellaren Biegewellen nicht nur durch Krümmungswellen charakterisiert sind, wie zuvor berichtet, sondern auch durch sogenannte Torsionswellen. Die Lage der Torsionsspitzen stimmt mit der Aktivität der molekularen Motoren überein, die die Flagellarbewegung antreiben. Die Autoren spekulieren, dass solche Torsionswellen in der Natur weit verbreitet sind.

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Gong et al. / 2021

Schematische Darstellung einer Aufnahme von Seeigel- und menschlichen Spermien beim Schwimmen. Mit diesem Hologramm kann das Spermium in 3D rekonstruiert werden.

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Dr. Luis Alvarez
Wissenschaftler/in