Mikrobenzirkus

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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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