Magnetospirillum gryphiswaldense

30. Apr.

Mikrobielle Kompassnadel

Der Mai steht vor der Tür und besonders in den vergangenen Tagen hat sich die Sonne häufiger blicken lassen. Die warmen Temperaturen ziehen viele Menschen nach draußen und dort gibt es ja bekanntlich so einiges zu entdecken. Solltet ihr bei eurem nächsten Spaziergang an einem Teich, einem Tümpel oder einem anderen stehenden Gewässer vorbeilaufen und zufällig einen Magneten einstecken haben, dann könntet ihr mit ein bisschen Glück eine ganz besondere Mikrobe anlocken. Neben Insektenlarven und allerlei anderen Lebewesen besteht nämlich durchaus die Möglichkeit, dass sich in eurem Tümpel Bakterien befinden, die magnetisch sind. Eben diese faszinierenden kleinen Kompassnadeln wollen wir uns heute etwas genauer anschauen.

Schon in den späten 1950er Jahren machte Salvatore Bellini eine äußerst ungewöhnliche Entdeckung. Während er Sediment- und Wasserproben aus einem Moor unter dem Mikroskop untersuchte, fiel ihm auf, dass einige der darin enthaltenen Mikroorganismen sich in einer auffällig geraden Linie zu einer Seite der Probe bewegen zu schienen. Er schaute sich Proben anderer Gewässer an, drehte die Probe unter dem Mikroskop, doch immer wieder schienen die Mikroorganismen in die gleiche Richtung zu schwimmen. In der Vermutung, dass das Metall, aus dem das Mikroskop gebaut war, vielleicht der Grund für das seltsame Verhalten war, baute Bellini sogar ein Mikroskop aus Holz und Pappe. Doch das Verhalten der Mikroben änderte sich nicht. Dann irgendwann fiel der Groschen: die Richtung, in die die Mikroorganismen schwammen, entsprach dem magnetischen Norden. Als er dann mit einem Magneten die Schwimmrichtung der Mikroben beeinflussen konnte, war Bellini sicher – es musste sich um magnetosensitive Bakterien handeln. In zwei Artikeln aus dem Jahre 1963 beschrieb Bellini seine Beobachtungen. Da diese Artikel allerdings nie veröffentlicht wurden, gerieten Bellinis Beschreibungen magnetosensitiver Bakterien schnell in Vergessenheit.

Etwa 12 Jahre später, im Jahr 1975, machte Mikrobiologe Richard Blakemore eine sehr ähnliche Beobachtung in einer Teichwasserprobe. Auch er entdeckte Mikroorganismen, die sich scheinbar dem magnetischen Norden entgegen bewegten. Das Phänomen bezeichnete er als Magnetotaxis, wobei sich taxis vom altgriechischen Wort für Ordnung oder Ausrichtung ableiten lässt. Es geht also um die Ausrichtung entlang des Erdmagnetfeldes. Wie und warum genau die Bakterien das konnten, war zunächst noch unklar. Blakemore entdeckte allerdings unter dem Elektronenmikroskop stark eisenhaltige Strukturen in den Bakterien, die, wie er vermutete, ähnlich wie ein Stabmagnet für die Ausrichtung der Bakterien verantwortlich sein könnten. Außerdem vermutete auch er schon, dass die Magnetfelder den Bakterien eventuell dabei helfen könnten, in Richtung ihrer bevorzugten Lebensbedingungen zu navigieren. Das Bakterium ließ sich zu diesem Zeitpunkt allerdings nur schwer im Labor kultivieren, so dass eine detailliertere Beschreibung zunächst ausblieb.

Diese Tatsache änderte sich schlagartig im Jahre 1990, als der damalige Student Dirk Schüler aus einem kleinen Fluss nahe Greifswald erneut magnetotaktische Bakterien isolieren konnte. Die von ihm gefundene Spezies war leichter kultivierbar als zuvor bekannte. So konnte das magnetische Bakterium endlich untersucht werden und bekam auch einen Namen: Magnetospirillum gryphiswaldense. Woher das magneto kommt, ist denke ich recht offensichtlich. Spirillum ist eine Beschreibung der Form des Bakteriums, das wie ein Korkenzieher gewunden ist. Der „Nachname“ des Bakteriums gryphiswaldense bezieht sich auf den Fundort der neuen Art. Dabei ist gryphiswaldense eine lateinisierte Form der Stadt Greifswald. Die Spezies, die Robert Blakemore gefunden hatte, wurde im Zuge dieser Benennung übrigens auch in die Gattung Magnetospirillum einsortiert und trägt seitdem den Namen Magnetospirillum magnetotacticum.

Wie funktioniert es jetzt aber, dass diese Bakterien magnetisch sind? Das erreicht Magnetospirillum durch die sogenannten Magnetosomen. Dabei handelt es sich um Organellen, also das Äquivalent von Organen in Zellen. Diese Magnetosomen bestehen aus Magnetitkristallen, also einem eisenhaltigen Mineral, das magnetische Eigenschaften mit sich bringt. Magnetospirillum lagert große Mengen an Eisen ein, so viel sogar, dass Eisen bis zu fünf Prozent der Trockenmasse des Bakteriums ausmachen kann. Dieses Eisen wird dann zum Eisenoxidkristall Magnetit umgebaut. 15 bis 30 der mehrere Nanometer großen Magnetitkristalle werden wiederum in den Magnetosomen zusammengehängt. Da die Magnetitkristalle selbst kleine Dauermagneten sind, entsteht durch ihre Verkettung quasi ein Stabmagnet, der sich wie von Geisterhand entlang der Feldlinien des Erdmagnetfelds ausrichtet. Damit die Bakterien diesen Magneten jetzt zur Navigation und Ausrichtung nutzen können, ist er in eine Membran, also eine Hülle eingefasst und wird durch ein spezielles Gerüst in der Zelle fixiert. Somit wird nicht nur der Magnet, sondern das ganze Bakterium, in dem er sich befindet, entlang des Erdmagnetfeldes ausgerichtet.

Welchen Sinn hat es jetzt aber, dass sich diese Bakterien wie Perlen auf einer Schnur nur entlang der Magnetfeldlinien bewegen können? Und warum wollen sie ausgerechnet nach Norden? Aktuellen Hypothesen zu Folge, hilft das den Bakterien vermutlich dabei, sich schneller und gezielter in Richtung ihrer favorisierten Wachstumsumgebung zu bewegen. Am besten wächst Magnetospirillum nämlich unter sogenannten microaerophilen Bedingungen, dort, wo nur sehr wenig Sauerstoff vorhanden ist. Da die Feldlinien des Erdmagnetfelds in einem Gewässer nicht nur in Richtung Norden verlaufen, sondern auch nach unten führen, bringt das Schwimmen in diese Richtung die Bakterien also in tiefere Gewässer, in denen dann eben die Sauerstoffkonzentration abnimmt. Sensoren, die das Bakterien zusätzlich hat, können ihm dann dabei helfen, die ideale Sauerstoffmenge wahrzunehmen und sich in der entsprechenden Wassertiefe anzusiedeln. Amüsant fand ich im Zuge dessen übrigens die Beobachtung, dass die Bakterien nur dann in Richtung Norden schwimmen, wenn sie sich auch auf der Nordhalbkugel befinden. Magnetospirillen in Gewässern auf der Südhalbkugel nutzen den exakt gleichen Mechanismus, um sich stattdessen in Richtung des magnetischen Südpols zu bewegen.

Doch nicht nur Magnetospirillum gryphiswaldense orientiert sich mithilfe des Erdmagnetfelds. Neben anderen Gattungen magnetotaktischer Bakterien nutzen auch Zugvögel, manche Fische, Honigbienen und sogar Algen magnetische Partikel, um sich zu orientieren. Ob das genauso funktioniert wie bei Bakterien, ist noch nicht gesichert. Trotzdem erweist sich das Wissen über diesen Prozess in Bakterien immer wieder als nützlich.

Ein weiterer Aspekt, der das Bakterium für Forscher verschiedenster Disziplinen zu einem interessanten Forschungsobjekt gemacht hat, ist das, was mit den Magnetosomen passiert, wenn das Bakterium stirbt. Da es sich um Eisenoxidkristalle handelt, zersetzen sich die Magnetitketten nicht, sondern bleiben erhalten und werden zu sogenannten Magnetofossilien. Als solche können sie zur Magnetisierung von Sedimenten beitragen und bleiben dort teils über Millionen von Jahren erhalten. Der älteste Fund solcher Magnetofossilien könnte um die 1.9 Milliarden Jahre alt sein, sicher bestätigt, dass es sich dabei um die Überreste magnetotaktischer Bakterien handelt, ist es allerdings nicht. Tatsächlich gab es sogar schon Versuche, die Existenz außerirdischen Lebens mit dem Vorkommen von Magnetofossilien zu belegen. 1996 beschrieben Forschende auf einem etwa 4 Milliarden Jahre alten Fragment des Marsmeteoriten ALH84001 Strukturen, die dem Magnetit aus Magnetospirillum stark ähnelten. Tatsächlich fand man allerdings keine Magnetospirillum-Art, die Magnetitkristalle der gleichen Form herstellten, so dass auch diese Hypothese bislang nicht als sicher belegt gilt.

Doch nicht nur im Blick in die Vergangenheit, sondern auch in der Forschung der Zukunft hat sich Magnetospirillum einen festen Platz erarbeitet. Beispielsweise gibt es Überlegungen, Magnetosomen in der Magnetresonanztomographie, also dem MRT, einzusetzen. Dieses Bildgebungsverfahren setzt häufig auf gadoliniumhaltige Kontrastmittel, um Gewebeunterschiede besser erkennen zu können. Die Magnetosomen haben in ersten Versuchen eine deutlich bessere Wirksamkeit als Kontrastmittel demonstrieren können. Ob und in welcher Form sie allerdings in Zukunft tatsächlich Anwendung finden werden, wird sich noch herausstellen. Ähnliches gilt auch für die Tumortherapie, wo Magnetosomen bei Anlegung eines starken Magnetfeldes lokal in Zellen oder Geweben Wärme erzeugen können. Das kann dabei helfen, Tumorzellen abzutöten oder sie zumindest empfänglicher für andere Therapieformen zu machen. Und auch in der Entwicklung von Mikrorobotern kommen die Magnetosomen gelegen. Durch das Einbringen dieser Strukturen in andere Bakterien oder biohybride Roboter können diese gezielt durch Magnetfelder gesteuert werden und dabei den Transport von Medikamenten an ihre Wirkorte unterstützen. Hier gibt es also noch eine ganze Menge zu erforschen und zu entwickeln, und wir werden sehen, was die Zukunft bringt.

Ein letzter Aspekt, über den ich unbedingt noch reden möchte, betrifft wieder die Bioremediation. Einige Spezies der Gattung Magnetospirillum sind nämlich in der Lage Uran aufzunehmen. Da sie, durch Anlegung eines Magnetfeldes, recht leicht zu isolieren sind, könnten sie also dabei helfen, Uran-belastete Gewässer zu reinigen. Auch hier gilt aber: bis das tatsächlich in Anwendung zu sehen ist, müssen wir uns noch etwas in Geduld üben.

Nichtsdestotrotz konnten wir mit Magnetospirillum gryphiswaldense einen sehr spannenden Mikroorganismus kennen lernen, der durch seine ungewöhnliche Art sich durch seinen Magnetsinn zu orientieren und zu bewegen zu einem vielseitigen Forschungsobjekt geworden ist. Nicht umsonst wurde Magnetospirillum deshalb durch die Vereinigung für allgemeine und angewandte Mikrobiologie zur Mikrobe des Jahres 2019 gekürt. Wer sich mal anschauen möchte, wie sich das korkenzieherförmige Bakterium so fortbewegt und wie beeindruckend es aussieht, wenn die Schwimmrichtung hunderter dieser Mikroben durch einen Magnet von einem Moment auf den anderen geändert werden kann, für den verlinke ich unten ein Video.

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