Forscher untersuchen, wie Spermien schwimmen

JÜLICH. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben auf einem Supercomputer simuliert, wie Spermien durch winzige Kanäle schwimmen (New J. Phys. 2019; online 18. Januar).

Ihr Modell liefert eine Erklärung, warum die meisten Spermien in engen Durchgängen immer schräg mit dem Kopf voraus an der Wand entlangwandern, teilt das Forschungszentrum mit: Weil der Schwanz weiter als Kopfbreite ausschlägt, schwimmt das Spermium schräg gegen die Wand. Auch leichte Krümmungen könnten sie so passieren. Wann genau der Kontakt abreißt, hängt vom Geißelschlag der Spermien ab, wie die Forscher mit ihren Berechnungen zeigen konnten.

Das Rennen, das sich die männlichen Samenzellen zur weiblichen Eizelle liefern, ist ja ein harter Ausscheidungskampf. Auf dem Weg müssen die Spermien das mehrere Tausendfache ihrer eigenen Körperlänge zurücklegen, erinnert das Forschungszentrum in einer Mitteilung zur Veröffentlichung der Studie. Nur etwa eine von einer Million komme am Ende in die Nähe des Ziels.

Noch Forschungsarbeit nötig

Welche Faktoren über Sieg und Niederlage entscheiden, sei bis heute nicht vollständig geklärt. Insbesondere dann, wenn es gelingen sollte, den Zusammenhang zwischen dem transportierten Erbgut und dem Bewegungsmuster der Spermien besser zu verstehen.

Wie sich Spermien durch enge, gewundene Kanäle bewegen, sei für viele Prozesse im Labor relevant. Mit den neuen Erkenntnissen könnte man dann einen „Hindernislauf“ für Spermien konstruieren, der Spermien nach der Wellenlänge ihres Geißelschlags sortiert, etwa zur Verbesserung der Ergebnisse bei der künstlichen Befruchtung.

Umgekehrt seien auch Verhütungsmethoden denkbar, heißt es in der Mitteilung des Forschungszentrums. Eine solche Pille für den Mann könnte den Geißelschlag medikamentös verändern und die Schlagzahl künstlich herabsetzen oder beschleunigen, wenn sich bestimmte Schlagcharakteristika finden lassen, die für den Weg der Spermien zur Eizelle essenziell sind.

Von Wänden magisch angezogen

Bereits vor mehreren Jahrzehnten war Forschern in Experimenten aufgefallen, dass sich Spermien von Wänden wie magisch angezogen fühlen und bevorzugt mit dem Kopf an der Wand entlangbewegen, erinnert das Forschungszentrum in seiner Mitteilung.

Lange sei unklar gewesen, wie sich dieser Effekt in engen Kanälen auswirken würde. Mithilfe von Simulationen auf dem Jülicher Superrechner JURECA hätten Wissenschaftler vom Jülicher Institute of Complex Systems (ICS-2) nun Antworten auf diese Fragen geliefert:

Spermienzellen bestehen aus einem wenige Mikrometer – oder wenige tausendstel Millimeter – großen Kopf. Daran schließt sich eine rund 50 Mikrometer lange Geißel an, die sich zur Fortbewegung hin und her schlängelt.

Bewegung in Kegelform

Typischerweise sind die Ausschläge der Geißel deutlich breiter als der Kopf des Spermiums. Betrachtet man die Bewegung über längere Zeit, so ergibt sich daraus eine Kegelform mit dem schmalen Kopf an der Spitze und dem weit hin und her peitschenden Spermienschwanz am anderen Ende.

„Aus dieser Form ergibt sich nun schon rein geometrisch, dass die Längsachse des Spermiums leicht schräg gegen die Wand gerichtet ist. Bei der Vorwärtsbewegung drückt sich die Zelle folglich immer leicht gegen die Wand, sodass sie immer in Wandnähe bleibt“, wird Dr. Jens Elgeti vom Jülicher Institute of Complex Systems (ICS-2) in der Mitteilung zitiert.

Schläge in 2D- oder 3D-Muster

Biegt sich der Kanal nur leicht, folgt das Spermium dem Wandverlauf. Ab welchem Krümmungsradius der Kontakt zur Wand verloren geht, hängt dabei stark vom Schlagmuster der Geißel ab.

Die Forscher unterscheiden zwischen einem zweidimensionalen Schlag, bei dem der Spermienschwanz in einer Ebene schwingt, und einem spiralförmigen 3D-Muster, bei dem die Geißel in alle drei Raumrichtungen rotiert.

„Die Simulation unterschiedlicher Wellenlängen zeigt, dass Spermien mit einem 3D-Schlag auch bei deutlich stärker gekrümmten Windungen noch an der Wand bleiben als solche mit einem 2D-Schlag“, erklärt Jens Elgeti. Der Grund: Spermien, die sich nur planar in einer Ebene schlängeln, richten ihre Schlagrichtung früher oder später parallel zur Wand aus.

Die wirksame Kegelform geht so verloren und der Kontakt zur Wand reißt ab. Spermien, die mit einem 3D-Schlag unterwegs sind, behalten ihre Kegelform dagegen in allen Raumrichtungen bei.

Die Forscher liefern zudem eine Erklärung für ein weiteres Phänomen, das Wissenschaftler zuvor in Experimenten beobachtet hatten: Viele Spermien schwimmen nach einer Krümmung in einem Mikrokanal nämlich nicht einfach weiter geradeaus, sondern werden leicht in Kurvenrichtung abgelenkt – so, wie es durch ihre schräge Ausrichtung an der Wand vorgegeben wird. (eb)