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Magnetische Bakterien : Nanomaterialien aus dem Bio-Baukasten

  • -Aktualisiert am

Sich teilende Zelle von Magnetospirillum gryphiswaldense mit Magnetitkristallen in ihrem Inneren (Transmissions-elektronenmikroskopische Aufnahme). Bild: Frank Mickoleit, Universität Bayreuth

Die kleins­ten Kom­pass­na­deln der Welt: Magnetische Bakterien produzieren winzige Partikeln mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Die Teilchen eignen sich als Kontrastmittel, magnetische Sensoren oder als Wirkstoff-Transporter.

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          Magnetische Nanopartikeln haben ein großes Potential für zahlreiche technische und medizinische Anwendungen. Sie eignen sich als chemische Katalysatoren, als Sensoren, als Wirkstoffvehikel, aber auch als Kontrastmittel in der Bildgebung. Daher versuchen viele Wissenschaftler, solche Teilchen in variablen Größen und mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Eine Gruppe von Mikrobiologen der Universität Bayreuth hat dabei einen ungewöhnlichen Weg eingeschlagen: Die Forscher um Dirk Schüler nutzen zur Herstellung der magnetischen Nanopartikeln bestimmte Bakterien. Sie haben die Mikroorganismen genetisch so programmiert, dass sie die Nanoteilchen beim Wachsen in der Petrischale oder in einem Bioreaktor selbst erzeugen.

          Für ihre Experimente verwenden Schüler und seine beiden Kollegen, Frank Mickoleit und Clarissa Lanzloth, Bakterien der Gattung Magnetospirillum gryphiswaldense. Diese Mikroben zählen zu den sogenannten magneto-taktischen Bakterien. Zum Standardinventar der Einzeller gehören winzige Nanokristalle aus Eisenoxid, die im Zellinneren kettenförmig angeordnet sind. Die Mikroorganismen verfügen damit gewissermaßen über eine Art Kompassnadel, mit der sie sichvanhand des Erdmagnetfelds orientieren können.

          Ankerproteine für spezielle Aufgaben

          Die magnetischen Nanokristalle – auch Magnetosomen genannt – sind nur zwischen 30 und 50 Nanometer groß und besitzen eine Membranhülle aus Lipiden, in die verschiedene Proteine eingebettet sind. Diese Eiweißmoleküle nutzen die Wissenschaftler als Anker, um funktionelle Einheiten und biochemisch aktive Gruppen an die Magnetosomen anzukoppeln. Das Ergebnis sind multifunktionelle magnetische Partikeln von fast einheitlicher Größe.

          Detailansicht des magnetischen Bakteriums Magnetospyrillum gryphiswaldense mit verketteten Magnetosomen. Unten links: Einzelnes Magnetosom mit Eisenoxid-Kern und umgebender Membran. Auf spezifischen Proteinen der Membran werden genetisch verschiedene funktionelle Gruppen aus unterschiedlichen Fremdorganismen installiert
          Detailansicht des magnetischen Bakteriums Magnetospyrillum gryphiswaldense mit verketteten Magnetosomen. Unten links: Einzelnes Magnetosom mit Eisenoxid-Kern und umgebender Membran. Auf spezifischen Proteinen der Membran werden genetisch verschiedene funktionelle Gruppen aus unterschiedlichen Fremdorganismen installiert : Bild: Frank Mickoleit, Clarissa Lanzloth, Universität Bayreuth

          Das Verfahren der Bayreuther Forscher setzt bei den Genen an, die für die Biosynthese der Membran-Proteine zuständig sind. Das Erbgut der Bakterien wird gezielt mit Genen aus anderen Organismen modifiziert. Die solcherart umprogrammierten Magnetospirillum-Bakterien produzieren daraufhin Magnetosomen, die zusätzliche funktionelle Gruppen auf ihrer Membranhülle tragen.

          Vier verschiedene Ankerproteine haben die Bayreuther Forscher für ihre Versuche herausgepickt und nach dem Baukastenprinzip simultan mit vier ganz unterschiedlichen Gruppen versehen. Dazu gehörten das Enzym Glukose-Oxidase, das in Diabetes-Teststreifen als Zuckersensor biotechnologisch angewendet wird, sowie ein grün fluoreszierendes Protein, das in der Biotechnologie oftmals als Reporter genutzt wird, da es unter ultraviolettem Licht grün aufleuchtet und somit die räumliche Verteilung der magnetischen Partikeln anzeigen kann.

          Bioverträgliche Partikel vielfach nutzbar

          Die Mikrobiologen aus Bayreuth koppelten an die Magnetosomen noch ein weiteres Enzym an, welches sich leicht nachweisen lässt, sowie ein Antikörper-Fragment – auch Nanobody genannt. Über dieses Fragment ließen sich die Teilchen in eine Hydrogel-basierte Matrix einbauen. Damit sind die magnetischen Nanopartikeln an ein Trägermaterial gebunden und lassen sich einfacher handhaben.

          Clarissa Lanzloth an einer Elektrophorese-Apparatur zur Auftrennung und Analyse von Proteinen.
          Clarissa Lanzloth an einer Elektrophorese-Apparatur zur Auftrennung und Analyse von Proteinen. : Bild: Christian Wißler, Universität Bayreuth

          Wie die Forscher in der Zeitschrift „Small“  schreiben, zeichnet sich das gentechnische Verfahren durch eine hohe Selektivität und Steuerbarkeit aus. Herkömmliche chemische Kopplungsmethoden seien längst nicht so leistungsfähig. Außerdem eröffne ihr Verfahren der genetischen Umprogrammierung ein breites Spektrum von Möglichkeiten, so die Wissenschaftler. Auf der Hüllmembran können ganz unterschiedliche nützliche Funktionen miteinander kombiniert werden. So wurde ein Spinnenseideprotein testweise an die Membran gekoppelt sowie ein Protein zur Stimulierung von menschlichen Immunzellen. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften können die Nanopartikeln auf einfachem Wege aus den Bakterien isoliert und gereinigt werden.

          Untersuchungen haben gezeigt, dass die Magnet-Nanopartikeln bioverträglich sind. Dadurch können die Partikeln zukünftig in der Biomedizin genutzt werden, etwa als Kontrastmittel in der Magnetresonanz-Tomographie oder als magnetische Sensoren in der Diagnostik. Die Nanoteilchen könnten künftig helfen, Krebszellen aufzuspüren. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Bioreaktorsysteme. Hierfür eignen sich magnetische Nanopartikeln besonders gut, wenn sie mit winzigen Katalysatoren bestückt worden sind. Dann können sie komplexe biochemische Prozesse anstoßen.

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