Mikrobenzirkus

Keine Panik vor Bazille, Virus & Co


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Magnetospirillium ist Mikrobe des Jahres 2019

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von M. gryphiswaldense. © Frank Müller, Universität Bayreuth

Magnetische Bakterien – die gibt es wirklich! Die Bakterien der Gattung Magnetospirillum sind die Mikroben des Jahres 2019. Diese im Wasser lebenden Bakterien können sich am Magnetfeld der Erde orientieren – und eignen sich als nützliche Helfer im Bereich von Biotechnologie und Medizin. So können die Mikroben zum Beispiel als Kontrastmittel fungieren oder dabei helfen, Zellen künstlich zu steuern.

Sich teilende Zelle von Magnetospirillum gryphiswaldense mit Magnetitkristallen (Transmissions-elektronenmikroskopische Aufnahme). © Frank Mickoleit, Universität Bayreuth

Seefahrer vertrauen seit Jahrhunderten auf ihren Kompass. Doch die Natur nutzt dieses Prinzip schon viel länger. Viele Lebewesen können das Magnetfeld der Erde wahrnehmen und sich an ihm orientieren. Zugvögel beispielsweise nutzen ihren magnetischen Sinn als Richtungsweiser auf ihren langen Flügen. Aber auch Fische, Füchse, Wildschweine und Hunde besitzen einen Magnetsinn. Selbst im Reich der Allerkleinsten gibt es Organismen, die sich am irdischen Magnetfeld orientieren: Bakterien.
Als Kompass tragen diese Mikroben winzige Ketten von Kristallen aus dem Eisenoxid Magnetit in sich. Faszinierend ist es anzusehen, wenn sie alle einheitlich ausregerichtet unter dem Mikroskop umherflitzen.

Bakterien mit Magnetsinn – Kristalle aus Eisenoxid

Magnetospirillum gryphiswaldense in Teilung mit Magnetitkristallen (rot) und Membranvesikeln (gelb) und dem speziellen Cytoskelett (grün) sowie Geißeln zur Fortbewegung (ocker). © Mauricio Toro-Nahulepan, Universität Bayreuth/ Jürgen Plitzko, MPI für Biochemie, Martinsried

Erstmals entdeckt wurden diese besonderen Bakterien durch den Italiener Salvatore Bellini. Dieser stieß mit seinen Beobachtungen im Jahr 1963 zwar zunächst noch auf Unglauben. Doch mit der Verbreitung des Elektronenmikroskops bestätigte Richard Blakemore zwölf Jahre später die Existenz magnetischer Mikroben: In Schlammproben sah er Mikroorganismen mit Ketten magnetischer Kristalle, die sich wie eine Kompassnadel im magnetischen Feld ausrichteten.
Heute weiß man, dass spezielle Enzyme Eisen-Ionen aus der Umgebung in die Bakterienzelle transportieren. Dort bilden sich Ketten aus 15 bis 30 Eisenoxid-Kristallen, die zusammen als Magnet wirken. Ein Zellskelett aus langen Proteinfäden, ähnlich aufgebaut wie unsere Muskeln, hält die Kristalle in der Zellmitte und sortiert sie bei der Zellteilung gleichmäßig.

Vorteil bei der Orientierung im Wasser

Zusammen mit einem speziellen Sauerstoffsensor orientieren sich die Bakterien mit ihrem inneren „Magneten“ so im Wasser: Sie suchen gezielt Schichten mit einem optimalen geringen Sauerstoffgehalt auf. Die magnetischen Pole der Erde helfen ihnen, sich in der richtigen Wassertiefe auszurichten. Ihre schraubenförmige Gestalt hilft dabei, sich im Bodensediment zu bewegen.
Dank der detaillierten Erkenntnisse zur Biosynthese und Funktion der Magnetosomen gilt Magnetospirillum mittlerweile auch als wichtiger Modellorganismus für die Bildung bakterieller Organellen.

Magnetospirillium-Forscher der ersten Stunde

Prof. Dr. Dirk Schüler, © Christian Wißler, Universität Bayreuth

Professor Dr. Dirk Schüler ist seit fast 30 Jahren von diesen Bakterien fasziniert. Als Student im Greifswalder Labor von Manfred Köhler entdeckte er 1990 Magnetospirillium im Schlamm eines kleinen Flusses. Darauf ist auch der Namenszusatz „gryphiswaldense“ zurückzuführen. Zeitgleich gab es große politische Umwälzungen – der Fall der Mauer. Gemeinsam mit den Experten aus dem Münchner Labor von Karl-Heinz Schleifer und Rudolf Amann konnten sie das neuentdeckte Bakterium mit modernen Methoden untersuchen. Es wurde namensgebend für die ganze Gattung Magnetospirillium.

Innovative Waffe gegen Tumore ?

Für die Biotechnologie und die Medizin bieten die Bakterien faszinierende Möglichkeiten. Doch auch darüber hinaus bietet Magnetospirillum faszinierende Möglichkeiten: Die winzigen Magnete haben eine einheitliche Größe, Form und hohe Magnetisierung, die synthetische Nanopartikel nicht erreichen. Aus diesem Grund können sie als Kontrastmittel in der medizinischen Bildgebung fungieren – dabei übertreffen sie die Wirksamkeit kommerzieller magnetischer Kontrastmittel deutlich, wie Versuche zeigen.
Zudem erzeugen die Magnetosomen der Bakterien in Zellen oder Geweben Wärme, wenn ein starkes Magnetfeld angelegt wird – in Tierversuchen ließen sich damit Tumoren verkleinern. Außerdem ist es Forschern bereits gelungen, den kompletten Biosyntheseweg aus Magnetospirillum in fremde Bakterien übertragen. So lassen sich in Zukunft womöglich Zellen künstlich magnetisieren und dadurch „steuern“. lebende Magnetbaketrien könnten sogar als „Mikroroboter“ mit Medikamenten beladen werden und diese dann zum Wirkunsgort im Körper, etwa zu Tumoren bringen.

Selbst magnetische Bakterien fischen?

Nun bleibt die Frage, ob auch Laien magnetotaktische Bakterien finden könnten? Sicher, meint Prof. Dirk Schüler von der Universität Bayreuth. Das wäre nicht schwer. In jedem Gartenteich oder flachen Tümpel gibt es viele verschiedene Arten: Stäbchen, Kugeln, Spiralen.
Betrachtet man den Rand eines Schlammtropfens mit einem Phasenkontrastmikroskop, das wenigsten 100fach, besser 400fach vergrößert, an den man einen kleinen Stabmagneten hält. Dann schwimmen die Magnetbakterien hartnäckig in diese Richtung und wenden, sobald man den Magneten umdreht.

Links:

  • VAAM – https://vaam.de/infoportal-mikrobiologie/mikrobe-des-jahres/mikrobe-des-jahres-2019.html
  • Interview mit Prof Schüler: https://vaam.de/files/interview_zur_mikrobe_des_jahres_2019_-_vaam_-stoeriko_-_dirk_schueler.pdf

Mikrobiologische Grüße

Susanne

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Trickreiche Erreger – Wie Bakterien unseren Körper erobern

Ich freue mich, euch heute im Mikrobenzirkus einen Gastartikel meines Kollegen Dr. Andreas Fischer, Wissenschaftsredakteur am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, zu präsentieren.  Viel Spaß beim Lesen!

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Robert Koch – Deutscher Mediziner und Mikrobiologe (Quelle: Wikipedia Public Domain)

Viele Menschen setzen Bakterien mit gefährlichen Krankheiten wie Pest und Cholera gleich. Zu Zeiten des berühmten Mikrobiologen Robert Koch (1843-1910), der zum Beispiel den Erreger der Tuberkulose entdeckt hat, wurde den Bakterien noch der Kampf angesagt.

Mittlerweile wissen wir aber, dass die weitaus meisten Arten völlig harmlos sind und uns zum Teil sogar Hilfe leisten, etwa bei der Verdauung. Gefährliche Krankheitserreger sind unter den Bakterien dagegen die Ausnahme, und sie arbeiten mit cleveren Tricks, denn dank unseres ausgeklügelten Immunsystems ist es gar nicht so leicht, den menschlichen Körper zu infizieren: Es erkennt Eindringlinge sofort, beseitigt sie und kann sich später sogar an sie erinnern. Trotzdem finden manche Bakterienarten immer wieder ein Schlupfloch.

Die beste Waffe: Eine schnelle Vermehrung

Einige Bakterien bilden unter optimalen Bedingungen alle 15 Minuten eine neue Generation aus unzähligen Individuen. Diejenigen, die mit ihrer Umgebung – zum Beispiel unserem Körper – am besten klarkommen, vermehren sich auch am stärksten. So ist jede neue Generation ein kleines Bisschen besser anpasst als die vorherige. Der Karieserreger Streptococcus mutans treibt es in Sachen Anpassung ganz auf die Spitze: In seinem Wohnzimmer – der Zahntasche – tötet er andere Bakterienarten und nimmt deren Erbmaterial auf. Ganz nach dem Motto „Du bist, was du isst“ schluckt er so die Überlebenstricks seiner Konkurrenten und macht sie zu seinen eigenen.

Appetit auf ein Softeis?

Jeder kennt sie, aber niemand will sie: Salmonellen. Sie sitzen in Lebensmitteln wie Eiern, Fleisch oder Softeis und animieren uns gern zu Dauerläufen Richtung Badezimmer. Im Laufe der Jahrmillionen haben Salmonellen ein filigranes Werkzeug entwickelt, das sie zu erfolgreichen Infizierern macht. Gelangen sie über das Essen in unseren Darm, bilden sie aus tausenden Molekülbausteinen winzige Spritzen aus, mit denen sie verschiedene Substanzen in die Darmzellen injizieren. Wie eine Droge veranlassen diese Substanzen die Darmzellen dazu, Dinge zu tun, die sie normalerweise nie tun würden: Sie nehmen die Salmonellen widerstandslos auf – Unternehmen Infektion geglückt.

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Eine Salmonelle (rot) bringt die Darmzelle dazu, sie mit ihrer Membran zu umschließen und aufzunehmen – hier in 20.000-facher Vergrößerung. Bild: HZI/Manfred Rohde

Kommt nun der Arzt mit einem Antibiotikum um die Ecke, räumen die meisten Salmonellen das Feld. Doch einige von ihnen machen es wie manche Menschen, wenn großer Stress droht: Sie schlafen ihn weg. Für Salmonellen bedeutet das, die Zellteilung runterzufahren und zu warten, bis das Antibiotikum durch ist. Viele Antibiotika töten nur sich teilende Bakterien, und so überdauern die Salmonellen mit dieser Strategie den Giftangriff als Schläferzellen.

Einfach wieder ausspucken

Bakterien der Gattungen Escherichia und Pseudomonas haben andere Tricks auf Lager, um sich vor Antibiotika zu schützen. In ihrer Außenhülle haben sie kleine Pumpen, mit denen sie Giftstoffe aus ihrem Innern befördern können. Das Darmbakterium Escherichia nutzt seine Pumpen eigentlich, um die giftigen Gallensalze des Darms zu beseitigen. Sonst könnten sie sich gar nicht erst dort ansiedeln. Mit Antibiotika machen sie genau das gleiche: Sie spucken sie sozusagen einfach wieder aus.

Der Krankenhauskeim Pseudomonas aeruginosa hat neben den Minipumpen noch einen anderen Schutzmechanismus: Er bildet Biofilme. Das sind dichte Kolonien in einem Netzwerk aus Zucker, das die Bakterien selbst um sich herum aufbauen. So schützt sich Pseudomonas vor Angriffen des Immunsystems und kann sogar lange Antibiotika-Therapien überstehen.


Tarnung ist alles

Streptokokken haben ein ganzes Arsenal an Infektionstricks entwickelt: Sie verschanzen sich in Biofilmen, tragen Rüstungen aus Zucker und beseitigen sogar ihre Hinterlassenschaften. Der Scharlach-Erreger Streptococcus pyogenes greift sogar direkt ins Immunsystem ein: Wenn eine menschliche Zelle von ihm infiziert wurde, sendet sie einen Hilferuf in Form eines bestimmten Botenstoffes aus, der Abwehrzellen anrücken lässt. Die Streptokokken besitzen aber eine molekulare Schere, mit der sie den Hilferuf einfach zerstückeln und somit verstummen lassen. Ganz ähnlich machen es auch die allseits „beliebten“ Chlamydien. Sie bekommen beim Eindringen in eine menschliche Zelle eine Art Siegel angehängt, das sie als Müll kennzeichnet. Normalerweise werden sie dann einfach ausgesondert und aufgelöst. Aber auch sie besitzen eine ganz bestimmte Schere, mit der sie das Siegel wieder abschneiden und sich so vor der Müllabfuhr der Zelle verstecken.

Bakterien sind also ganz schön clever, wenn es darum geht, uns zu infizieren. Nur gut, dass die meisten von ihnen friedliche Absichten verfolgen.

Habt ihr Fragen oder Anregungen?

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