Manche Bakterien sind winzige Meister der Navigation: Mit einem eingebauten «Kompass» aus magnetischen Nanopartikeln finden sie zielsicher den optimalen Lebensraum. Forschende der Universität Basel haben nun die magnetischen Eigenschaften einzelner Bakterien entschlüsselt – ein wichtiger Schritt, um ihr Potenzial für Technik, Umweltforschung und medizinische Anwendungen zu nutzen.

Einige Bakterienarten besitzen eine erstaunliche Fähigkeit: Sie nutzen das Erdmagnetfeld um sich daran zu orientieren. Um diesen Mechanismus besser zu verstehen hat das Team um Argovia-Professor Dr. Martino Poggio vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel das «magnetotaktische» Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense genauer untersucht.
In seinem Inneren bildet dieses Bakterium eine Kette aus magnetischen Nanopartikeln – den sogenannten Magnetosomen. Diese wirken wie ein biologischer Kompass und ermöglichen dem Bakterium, sich am Erdmagnetfeld auszurichten.

In ihrem natürlichen Lebensraum, in Gewässern oder feuchten Sedimenten, hilft dieser Kompass den Bakterien, bei der Suche nach den besten Lebensbedingungen strukturiert vorzugehen. Ohne diese Orientierungshilfe würden sie sich zufälliger fortbewegen und mehr Zeit und Energie benötigen, um etwa optimale Sauerstoffbedingungen aufzuspüren.  

Das Potenzial dieser Bakterien für Anwendungen ist gross: Sie könnten als magnetisch steuerbare «Mikroroboter» in der Medizin eingesetzt werden – beispielsweise für den gezielten Transport von Wirkstoffen. Auch der Einsatz zur Reinigung von Abwasser ist denkbar, indem die Bakterien Schwermetalle aufnehmen und anschliessend über einen Magneten einfach aus dem Wasser entfernt werden.

Ein einzelnes Bakterium im Fokus
Um solche Anwendungen zu ermöglichen, ist ein genaues Verständnis der magnetischen Eigenschaften der Bakterien entscheidend. 
Die Basler Forschenden haben daher in Zusammenarbeit mit dem Mikrobiologen Prof. Dr. Dirk Schüler von der Universität Bayreuth die Magnetpartikel eines einzelnen Bakteriums untersucht. Auf Grund des extrem schwachen Magnetismus einer einzelnen Magnetosomkette ist dies eine grosse technische Herausforderung. Die meisten bisherigen Studien waren darauf beschränkt Ensembles von Bakterien zu untersuchen. Das interdisziplinäre Forschungsteam konnte nun aber messen, wie bei einem einzelnen Bakterium die Magneten unter Einfluss eines externen Magnetfeldes zusammenwirken. Die Ergebnisse wurden kürzlich in dem Wissenschaftsjournal «Physical Review E» veröffentlicht.

«Wir haben zunächst ein einzelnes Bakterium an einem extrem dünnen Federbalken befestigt und dessen Schwingungen unter Magnetfeldern gemessen», erklärt Mathias Claus, Erstautor der Studie und Doktorand in der SNI-Doktorandenschule. «Aus winzigen Änderungen der Schwingungsfrequenz konnten wir ableiten, wie stark das Bakterium magnetisch ist und wie stabil seine Magnetrichtung bleibt.»

Diese hochsensitiven Magnetometrie-Messungen hat das Team durch elektronenmikroskopische Analysen und Computersimulationen ergänzt. Die Forschenden konnten die Magnetstärke der Kette präzise bestimmen und so bestätigen, dass sie für das Bakterium ausreicht, um sich unter natürlichen Bedingungen parallel zum Erdmagnetfeld auszurichten und damit zielgerichtet zu bewegen. «Sehr starke Magnetfelder können die Ausrichtung allerdings beeinflussen und damit die Orientierung der Bakterien stören. Das ist ein wichtiger Aspekt für mögliche technische Anwendungen, etwa als steuerbare Mikroroboter», ergänzt Dr. Boris Gross aus dem Poggio-Team, der das Projekt initiiert und geleitet hat.

Interessanterweise wechselten bei einer Umpolung des Magnetfelds einzelne Magnete oder kleine Gruppen plötzlich ihre Richtung, wie auch die durchgeführten Simulationen bestätigen. Dies müssen die Bakterien im See aber nicht befürchten: weder ist das Erdmagnetfeld dafür stark genug, noch sind sie wie das untersuchte Bakterium an einem Federbalken fixiert. Sie drehen sich einfach, bis sie wieder mit dem Magnetfeld ausgerichtet sind, bevor es zu solch einer Umpolung kommen könnte. 

Originalpublikation:

Magnetic properties of an individual Magnetospirillum gryphiswaldense cell
Mathias M. Claus, Marcus Wyss, Dirk Schüler, Martino Poggio, and Boris Gross
Phys. Rev. E 113, 014408 
DOI: https://doi.org/10.1103/lffn-l7m6

Weitere Informationen:

Poggio Lab