Ein richtungsweisendes Erfolgsmodell - Mini-Kompasse von Magnetbakterien wohl nur einmal erfunden

Magnetbakterien orientieren sich mithilfe zellulärer Mini-Kompasse, sogenannter Magnetosomen, die aus einer Kette von Nano-Magneten bestehen. Wissenschaftlern um die LMU-Mikrobiologen Dr. Christian Jogler und Professor Dirk Schüler ist es in Kooperation mit den Max-Planck-Instituten für Molekulare Genetik und Marine Mikrobiologie nun gelungen, ‘Magnetobacterium bavaricum’ ohne Umweg über eine Laborkultur mithilfe einer magnetischen Falle direkt aus Chiemseeschlamm zu fischen und genetisch zu analysieren. Dieses Magnetbakterium ist besonders interessant, weil es sehr groß ist und ungewöhnlich viele Mini-Magneten enthält. Durch den Vergleich seiner Gensequenzen mit denen bereits bekannter Magnetbakterien konnten die Wissenschaftler erstmals nachweisen, dass die Gene, die den Bauplan für den bakteriellen Kompass enthalten, einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben - und zwar auch bei unverwandten Bakteriengruppen. ’Wahrscheinlich wurden ähnliche Gene durch sogenannten horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Bakteriengruppen übertragen", vermutet Schüler. Da die Eigenschaften bakterieller Magnetosomen diejenigen chemisch hergestellter Nanomagneten übertreffen, ist der Bildungsmechanismus dieser biologischen Mini-Magneten auch für biotechnologische Anwendungen wie magnetische Diagnose- und Therapieverfahren interessant.

Magnetbakterien nutzen das Magnetfeld der Erde, um im Schlamm von Gewässern oben und unten zu unterscheiden und für sie optimale Lebensbereiche aufzusuchen. Dabei helfen ihnen die Magnetosomen. Diese bilden einen eingebauten Mini-Kompass, der aus einer Kette von Nano-Magneten besteht und dafür sorgt, dass die ganze Bakterienzelle beim Schwimmen wie eine Kompassnadel im Erdmagnetfeld ausgerichtet wird. Das Magnetosom besteht aus winzigen Magnetitkristallen, die an einer biologischen Membran im Zellinneren gebildet werden.

Wie dieser Prozess genau vor sich geht, war bis vor wenigen Jahren völlig unbekannt, da sich nur wenige der in vielen Gewässern zahl- und artenreich vorkommenden Magnetbakterien im Labor züchten lassen. Schülers Gruppe konnte bereits zeigen, dass die Synthese der Magnetosomen ein komplexer Prozess ist, an dem mindestens 20-30 Gene mit zum Teil noch ungeklärter Funktion beteiligt sind. ’Bei den wenigen bisher im Labor untersuchten Magnetbakterien sind diese Gene anscheinend alle in einem einzigen Abschnitt des Bakterienchromosoms angeordnet, der sogenannten Magnetosomeninsel", erklärt Schüler.

Unter den Magnetbakterien, die sich einer Zucht im Labor bisher verweigerten, gilt Magnetobacterium bavaricum wegen seiner ungewöhnlichen Eigenschaften als besonders interessanter Kandidat: Das Riesenbakterium, das vor allem im bayerischen Chiemsee vorkommt, ist fast zehnmal größer als die bisher kultivierbaren Bakterien und enthält mit über 1000 Magnetitkristallen pro Zelle besonders viele Nano-Magneten, die zudem eine ungewöhnliche lang gestreckte Form haben. Andere Magnetbakterien besitzen gerade einmal 10-50 Magnetitkristalle - Magnetobacterium bavaricum ist somit möglicherweise das magnetischste Bakterium der Welt.

Um dieses und andere Magnetbakterien ohne weitere Kultivierung für genetische und strukturelle Analysen zu gewinnen, entwickelten Schüler und Jogler magnetische Fallen, mit deren Hilfe sie die Bakterien direkt aus dem Chiemseeschlamm fischen konnten. Weil Magnetobacterium bavaricum mit den meisten anderen Magnetbakterien nur sehr entfernt verwandt ist, wurde spekuliert, dass die Magnetosomenbildung in seinem Fall biochemisch und genetisch grundsätzlich anders ablaufen könnte.

Elektronenmikroskopische Untersuchungen dieser Bakterien durch den LMU-Biologen Professor Gerhard Wanner mithilfe modernster Verfahren zeigten jedoch, dass die Architektur der Magnetosomen bei allen untersuchten Magnetbakterienarten ähnlich ist: Die Mini-Kompasse sind von einer Membran umgeben und reihen sich entlang von fadenförmigen Zellskelett-Strukturen wie an Ketten auf. Für die genetischen Analysen wurde dann Erbmaterial einzelner Magnetobacterium Bavaricum-Zellen vervielfältigt. Dabei half den Wissenschaftlern ein neues Verfahren für die Sortierung von Bakterien unter dem Mikroskop. ‘Das ist zwar eine knifflige Angelegenheit, da die Mikroorganismen sehr klein sind, eröffnet aber die Möglichkeit, gezielt die Erbinformation einzelner Bakterien zu kopieren und zu untersuchen’, sagt Jogler.

So konnten die Wissenschaftler erstmals Genomabschnitte von Magnetobacterium bavaricum identifizieren, die denjenigen von Magnetosom-Genen anderer Magnetbakterien ähneln. Dies war ein Hinweis darauf, dass die Magnetosom-Gene einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben und zwischen verschiedenen Bakteriengruppen wohl durch sogenannten horizontalen Gentransfer über Artgrenzen hinweg weitergegeben wurden. Dagegen sind die neben diesen Gemeinsamkeiten festgestellten Unterschiede in der genetischen Ausstattung vermutlich die Ursache für die Besonderheiten von Magnetobacterium bavaricum.

Bisher ist nur ein relativ kleiner Ausschnitt aus dem Genom von Magnetobacterium bavaricum bekannt. Schüler will nun in einem nächsten Schritt die komplette genetische Information des ungewöhnlichen Magnetbakteriums analysieren. ‘Wenn es gelänge, den Prozess der Bildung von Magnetosomen im Detail zu verstehen und zu rekonstruieren, könnte das zur Herstellung von magnetischen Nanomaterialien mit neuartigen Eigenschaften genutzt werden’, sagt Schüler. ‘Mögliche bio- und nanotechnologische Anwendungen sind etwa magnetische Trennmethoden oder magnetische Diagnose- und Therapieverfahren’. (göd)

 

Publikation:
Conservation of proteobacterial magnetosome genes and structures in an uncultivated member of the deep-branching Nitrospira phylum;
Christian Jogler, Gerhard Wanner, Sebastian Kolinko, Martina Niebler, Rudolf Amann, Nikolai Petersen, Michael Kube, Richard Reinhardt, Dirk Schüler;
PNAS online, 27.12.2010