Materialwissenschaft: Richtungsweisende Biominerale

Ein Bakterium formt seine Kompass-Nadel: Schon zehn Minuten, nachdem der Einzeller in Kontakt mit einer eisenhaltigen Nährlösung gekommen ist, treten die entstehenden Magnetit-Partikel in der Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops (links) deutlich als dunkelgraue Strukturen hervor. Eine Elementanalyse für den markierten Ausschnitt zeigt, dass dabei gleichzeitig Eisen (gelb) und Phosphor (blau) angelagert werden (rechts).<br><br>© MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung/ J. Baumgartner<br>

Als Menschen im 12. Jahrhundert anfingen, anhand von Kompassnadeln die richtigen Routen auf dem Meer zu suchen, war die magnetische Navigationshilfe bei anderen Lebewesen schon längst gängig.

Zugvögel orientieren sich am Magnetfeld der Erde, aber auch manche Einzeller, so genannte magnetotaktische Bakterien. Als inneren Kompass tragen sie eine Kette winziger Nanopartikel des magnetischen Minerals Magnetit in ihrem Inneren.

Details, wie die Mikroorganismen das Eisenoxidmineral Magnetit bilden, präsentieren Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich und den USA in zwei aktuellen Veröffentlichungen. Demnach erzeugen die Bakterien Magnetit-Nanopartikel über eine ähnliche Zwischenstufe wie höhere Lebewesen, anders als diese nutzen sie aber das Protein MamP, um die Oxidation des Eisens zu kontrollieren.

Wenn magnetotaktische Bakterien ihrem inneren Kompass folgen, suchen sie nicht die richtige Route zwischen Nord und Süd, sondern einen Weg in den Grund von Seen, Flüssen oder anderen Gewässern. Denn einige Millimeter unterhalb der Grenze zwischen Wasser und Sediment finden die Mikroorganismen normalerweise die idealen sauerstoffarmen Bedingungen für ihre Ernährung. Dorthin folgen sie den Linien des Erdmagnetfeldes, die fern vom Äquator nicht parallel zur Erdoberfläche laufen, sondern sich schräg nach unten neigen. Dabei richten sich die Bakterien am Magnetfeld mithilfe von Magnetosomen aus: von Membranen umschlossenen Nanopartikeln aus Magnetit, die sich entlang ihrer Zellachse kettenförmig aufreihen.

Wie sich die winzigen eisenhaltigen Teilchen bilden, haben nun zwei internationale Teams, an denen jeweils auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung beteiligt, näher untersucht. „Magnetotaktische Bakterien eignen sich hervorragend, um die magnetische Biomineralisation zu studieren“, sagt Damien Faivre, Leiter der Arbeitsgruppe molekulare Biomimetik und magnetische Biomineralisation am Potsdamer Max-Planck-Institut. „Denn ihre Genome sind bereits entziffert, und es gibt genügend Untersuchungsmethoden, wie man diese genetisch verändern kann.“

Bakterien kontrollieren die Biomineralisation vorbildhaft für die Materialwissenschaft

Generell bestehen Magnetitkristalle aus dem Eisenoxid Fe3O4, das zwei unterschiedlich stark oxidierte Varianten des Eisens enthält. Die Gestalt der Nanopartikel und mithin der Magnetosomen variiert allerdings zwischen verschiedenen Bakterienarten, eine Spezies bildet sie jedoch mit hoher Präzision immer in der gleichen Form und Größe. Die Mikroben können die Biosynthese der Nanopartikel also offenbar auf einzigartige Weise kontrollieren, was nicht nur das Interesse von Biologen geweckt hat. „Wenn wir die zugrunde liegenden Prinzipien besser verstehen, eröffnen sich in Zukunft sicherlich neue Ansätze und Methoden, um Magnetit-Nanopartikel technisch herzustellen“, so Damien Faivre. „Könnten Materialwissenschaftler die Eigenschaften synthetischer Magnetit-Teilchen genauso kontrollieren wie die Bakterien, wären dafür auch neue Anwendungen denkbar, wie in Kontrastmitteln für die Magnetresonanztomografie.

In einer der jetzt veröffentlichten Studien charakterisierten die Wissenschaftler mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie bei sehr tiefen Temperaturen und Transmissionselektronenmikroskopie den chemischen Prozess der Biomineralisation, wenn magnetotaktische Bakterien Magnetit bilden. Demnach erzeugen die Einzeller zunächst ein völlig ungeordnetes Eisenhydroxid, das reich an Phosphat ist. Dieses Material ähnelt Ferritinen, also Proteinkomplexen, die in Tieren, Pflanzen und Bakterien vorkommen und typischerweise Eisen speichern. Über Nanopartikel aus Eisenoxyhydroxide entstehen dann schließlich die Magnetit-Teilchen für die Magnetosomen ausgebildet.

„Das erstaunliche daran ist, das diese Transformation der synthetischen Erzeugung von Magnetit sehr nahe kommt und ähnlich wie die Mineralisation in höheren Organismen funktioniert“ sagt Jens Baumgartner, einer der beteiligten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung. So bilden wahrscheinlich auch Tauben das Mineral Magnetit mit dem gleichen Mechanismus, um es als Navigationshilfe in ihrem Schnabel einzulagern. Da dabei Eisenphosphate anwesend sind, liegt nahe, dass die Biomineralisation von Magnetit in Bakterien und höheren Lebewesen ähnlich abläuft, obwohl die Lebewesen entwicklungsgeschichtlich sehr weit voneinander getrennt sind.

Über das Protein MamP kontrollieren Bakterien die Oxidation des Eisens

Doch nicht nur Form und Größe der Magnetit-Partikel können die Bakterien genau kontrollieren, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Teilchen. Sie schaffen exakt die chemischen Bedingungen, damit die beiden unterschiedlich stark oxidierten Eisenionen, nämlich zweifach geladenes Eisen-II (Fe(II)) und dreifach geladenes Eisen-III (Fe(III)), in genau dem richtigen Verhältnis entstehen. Wie die zweite Studie, an der die Potsdamer Wissenschaftler beteiligt waren, nun zeigt, übernimmt ein Protein namens MamP dabei die entscheidende Rolle. Dieses Protein wurde ausschließlich in magnetotaktischen Bakterien gefunden und ähnelt Cytochromen.

Cytochrome übertragen in Redoxreaktionen bei der Zellatmung und anderen biochemischen Vorgängen Elektronen. Nun stellten die Forscher fest, dass MamP Fe(II) zu Fe(III) oxidiert. Die Bakterien brauchen also nur Eisen-II, um die Magnetitpartikel zu erzeugen. Unter anderem indem die Wissenschaftler das Protein genetisch veränderten, identifizierten sie auch die Strukturelemente, die für die Eisenoxidation wichtig sind. Diese Untereinheiten des Proteins werden Magnetochrome genannte.

„Bisher war offen, ob die Bakterien von Eisen-II oder Eisen-III ausgehen, um Magnetit zu bilden“, erklärt Damien Faivre. „Unsere Studie klärt diese Frage nun.“ Die Antwort passt auch zu dem, was der Lebensraum der Bakterien erwarten lässt: In dem sauerstoffarmen Milieu, in dem die Mikroben sich tummeln, liegt Eisen vor allem in der weniger stark oxidierten Form, also als Eisen-II, vor.

Ansprechpartner
Dr. Damien Faivre
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-9405
E-Mail: Damien.Faivre@­mpikg.mpg.de
Dr. Jens Baumgartner
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-9428
E-Mail: jens.baumgartner@­mpikg.mpg.de
Katja Schulze
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm
Telefon: +49 331 567-9203
Fax: +49 331 567-9202
E-Mail: katja.schulze@­mpikg.mpg.de
Originalpublikation
Marina I. Siponen, Pierre Legrand, Marc Widdrat, Stephanie R. Jones, Wei-Jia Zhang, Michelle C. Y. Chang, Damien Faivre, Pascal Arnoux und David Pignol
Structural insight into magnetochrome-mediated magnetite biomineralization
Nature, online veröffentlicht 6. Oktober 2013; doi: 10.1038/nature12573
Jens Baumgartner, Guillaume Morin, Nicolas Menguy, Teresa Perez Gonzalez, Marc Widdrat, Julie Cosmidis und Damien Faivre
Magnetotactic bacteria form magnetite from a phosphate-rich ferric hydroxide via nanometric ferric (oxyhydr)oxide intermediates

PNAS, 10. September 2013; doi: 10.1073/pnas.1307119110

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Dr. Damien Faivre Max-Planck-Institut

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