Bakterien Navigation im Schlammboden

Nicht nur Zugvögel, Fische und etliche andere Tiere wissen das Erdmagnetfeld zur Navigation zu nutzen, sondern auch Lebewesen, die auf den ersten Blick viel einfacher gebaut erscheinen: Bestimmte Bakterien nämlich orientieren sich an den irdischen Feldlinien, um ihren angestammten Lebensraum finden zu können - den Schlamm von Fluß-, See- und Meeresböden.

Werden die Einzeller einmal aus dem Boden ins Wasser gewirbelt, so weisen ihnen die Feldlinien - die in unseren Breitengraden nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen, sondern schräg in die Erde hinein führen - wieder den Weg in den Boden zurück. Diese magnetotaktischen Bakterien können gewissermaßen oben von unten unterscheiden. Als „Kompaß“ nutzen sie eine Vielzahl winziger Kristalle aus Magnetit in ihrem Zellinneren.

Identifizierung eines Gens

Lange Zeit war unklar, wie die Bakterien ein derart komplexes Navigationssystem aufbauen können. Schließlich funktioniert der biologische Kompaß erst dann optimal, wenn die Magnetit-Kristalle wie in einer Perlenschnur aufgereiht werden, so daß eine Art Kompaßnadel entsteht. Forscher der Max-Planck-Institute für Marine Mikrobiologie in Bremen und für Biochemie in Martinsried haben nun im Zellinneren eines Magnet-Bakteriums namens Magnetospirillum gryphiswaldense eine bislang unbekannte Filament-Struktur entdeckt, an der sich die Kristalle anheften und so - wie an einem Stützgerüst - in gerader Linie ausrichten können. Den Wissenschaftlern um Dirk Schüler, Jürgen Plitzko und Andre Scheffel gelang es zudem, innerhalb der Erbsubstanz der Bakterien ein Gen zu identifizieren, das für das Andocken der Kristalle an die Filamente verantwortlich ist.

Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ berichten, sorgt das Gen für die Herstellung eines Proteins namens MamJ. Dieses ist Bestandteil einer Membranhülle, die jedes einzelne Magnetit-Kristall wie einen flexiblen Container umgibt. Um die genaue Rolle des Proteins aufdecken zu können, schufen die Wissenschaftler Mutationen jener Magnetospirillen, welche die Forscher selbst im Schlamm eines Greifswalder Flüßchens unlängst entdeckt hatten. Den Mutanten fehlte das Gen zur Herstellung von MamJ.

Magnetische Anziehung unter den Kristallen

Die Experimente zeigten zunächst keine Auswirkungen auf das Wachstum der Magnetit-Kristalle selbst. Was ihre Größe, Anzahl und Form betraf, so waren Wildtyp und Mutante des Bakteriums identisch. Unter dem Elektronenmikroskop erkannten die Forscher allerdings, daß im Zellinneren der mutierten Bakterien die Magnetit-Kristalle mit ihren Membranhüllen nicht an das Filamentgerüst andockten, sondern unregelmäßig über das gesamte Innere des Einzellers verteilt waren.

Die magnetische Anziehung unter den Kristallen bewirkte nach und nach, daß diese untereinander verklumpten. Die mutierten Bakterien waren als Folge dessen kaum mehr in der Lage, sich im Magnetfeld auszurichten.

Hilfe für ein besseres Verständnis

Anders bei den Bakterien mit dem Protein MamJ: Hier waren die Membranhüllen der Magnetit-Kristalle ordentlich mit dem Filamentgerüst verbunden, so daß sich die erwünschte Perlenschnur bildete. Die Wissenschaftler vermuten, daß das Protein als eine Art Klebstoff fungiert, der sowohl an der Membranhülle der Magnetit-Kristalle als auch an den Filamenten der Bakterienzelle hafteten.

Die Ergebnisse der Max-Planck-Forscher könnten in Zukunft helfen, auch die magnetische Navigation von höheren Lebewesen besser zu verstehen. So finden sich Ketten von Magnetit-Kristallen ebenso in bestimmten Geweben von Tauben und Lachsen. Womöglich reguliert auch bei diesen Tieren ein genetischer Mechanismus mitsamt Filament-Gerüst, wie er bei den Bakterien gefunden wurde, das Ausrichten der winzigen Magnete in einer geraden Linie.