Verdrehter Kompass

  • 17. April 2018

Magnetische Nanopartikel in Bakterien zeigen interessante Nanoarchitektur.

Bakterien sind ungeheuer vielfältig, nicht nur von Gestalt, sondern auch in ihren Eigenschaften. Magneto­taktische Bakterien können mit Hilfe von magnetischen Nano­partikeln das Erd­magnet­feld „spüren“. Nun hat eine Kooperation aus spanischen Teams und einer Gruppe am Helm­holtz-Zentrum Berlin (HZB) den inneren Kompass in Magneto­spirillum gryphis­waldense an der Synchrotron­quelle BESSY II untersucht. Die Ergebnisse können für die Entwicklung von bio­medizinischen Anwendungen wie Nano­robotern und Nano­sensoren nützlich sein.

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Abb.: Die magnetischen Nanoteilchen bilden im Innern der Zelle eine Kette, wie bei der Elektronenkryotomographie zu sehen. (Bild: I. Orue et al.)

Magnetotaktische Bakterien kommen in Gewässern und marinen Sedimenten vor. Magneto­spirillum gryphis­waldense gehört zu den Spezies, die sich besonders einfach im Labor zu züchten lassen, und zwar wahl­weise mit oder ohne magnetische Nano­partikel im Inneren der Zelle. „Diese Mikro­organismen sind ideale Test­objekte, um zu verstehen, wie ihr innerer Kompass sich bildet”, erklärt Lourdes Marcano, Doktorandin an der Universidad del Pais Vasco in Leioa, Spanien.

Magnetospirillum-Zellen enthalten eine Anzahl von winzigen Magnetit-Teilchen (Fe3O4) mit Durch­messern um die 45 Nano­meter. Diese Nano­teilchen, auch Magneto­some genannt, ordnen sich in der Regel zu einer Kette im Innern des Bakteriums an. Diese Kette aus Magneto­somen wirkt als Kompass­nadel und richtet sich nach einem äußeren Magnet­feld aus. Dadurch wird auch das Bakterium entlang des Erd­magnet­felds ausgerichtet. „Diese Bakterien existieren mit Vorliebe zwischen sauer­stoff­reichen und sauer­stoff­armen Schichten” sagt Marcano, „Ihr innerer Kompass könnte ihnen helfen, die optimalen Lebens­bedingungen zu finden.”

Die spanischen Kooperationspartner untersuchten zunächst die Form der Magneto­somen und ihre Anordnung im Innern der Zelle mit unter­schiedlichen Methoden, darunter auch der Elektronen­kryo­tomographie. An BESSY II untersuchten sie gemeinsam mit dem HZB-Team um Sergio Valencia isolierte Ketten aus Magneto­somen. Insbesondere wollten sie ermitteln, wie sich die die Kette zum magnetischen Feld ausrichtet , das die magnetischen Nano­partikel selbst erzeugen.

„Normaler­weise benötigt man hunderte von Proben mit unter­schiedlich orientierten Magneto­somen-Ketten, um die magnetischen Eigenschaften dieser Bakterien zu charakterisieren“, sagt HZB-Physiker Sergio Valencia. „Aber an BESSY II können wir mit Hilfe von Photo­elektronen-Emissions­mikroskopie (PEEM) und weiteren Methoden die magnetischen Eigen­schaften von einzelnen Ketten präzise vermessen.“ Dies eröffnet die Möglichkeit, die Ergebnisse mit theoretischen Vorher­sagen zu vergleichen.

Tatsächlich zeigten die Experimente etwas Über­raschendes: Anders als bisher vermutet ist das Magnet­feld der Magneto­somen nicht parallel zur Kette ausgerichtet, sondern leicht schräg dazu. Die theoretische Modellierung der spanischen Partner deutet darauf hin, dass dieser Neigungs­winkel dazu führt, dass die Magnetosomen­kette eine spiralige Form hat.

Es sei sehr wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die die Form der Kette beeinflussen, betonen die Wissen­schaftler. Solche bewährten Erfindungen der Natur könnten als Vorbild und Inspiration dienen. So ließen sich möglicher­weise ähnliche Mechanismen für bio­medizinische Anwendungen nutzen – zum Beispiel zur Steuerung von Nano­robotern.

HZB /DE

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