Forschende der Universität Basel haben einen wichtigen Schritt im Verständnis der Navigation von Bakterien gemacht. Sie untersuchten einzelne Bakterien mit einem eingebauten Magnetkompass. Diese Entdeckung könnte neue Wege für medizinische Anwendungen und Umwelttechnologien eröffnen.
Wichtige Erkenntnisse
- Basler Team entschlüsselt magnetische Eigenschaften einzelner Bakterien.
- Magnetospirillum gryphiswaldense nutzt Magnetosome als inneren Kompass.
- Diese Bakterien könnten für Medikamententransport und Abwasserreinigung eingesetzt werden.
- Messungen an einzelnen Bakterien waren eine grosse technische Herausforderung.
Ein natürlicher Kompass in Mikroorganismen
Einige Bakterienarten besitzen eine bemerkenswerte Fähigkeit: Sie können sich am Erdmagnetfeld orientieren. Diese sogenannte Magnetotaxis ermöglicht es ihnen, ihren idealen Lebensraum gezielt zu finden. Das Team um Argovia-Professor Dr. Martino Poggio von der Universität Basel hat das Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense genauer untersucht. Dieses Bakterium bildet im Inneren eine Kette aus magnetischen Nanopartikeln, den sogenannten Magnetosomen. Diese wirken wie ein kleiner biologischer Kompass.
In natürlichen Umgebungen, wie Gewässern oder feuchten Sedimenten, hilft dieser Kompass den Bakterien. Sie können sich strukturiert bewegen, anstatt zufällig herumzuschwimmen. So finden sie schneller optimale Bedingungen, etwa die richtige Sauerstoffkonzentration. Ohne diese Orientierungshilfe würden sie mehr Zeit und Energie für die Suche benötigen.
Faktencheck
- Bakterienart: Magnetospirillum gryphiswaldense
- Navigationsorgan: Magnetosome (Kette aus magnetischen Nanopartikeln)
- Funktion: Orientierung am Erdmagnetfeld zur Suche optimaler Lebensbedingungen
Potenzial für Technik und Medizin
Die Fähigkeit dieser Bakterien birgt grosses Potenzial für verschiedene Anwendungen. In der Medizin könnten sie als magnetisch steuerbare Mikroroboter dienen. So wäre ein gezielter Transport von Medikamenten an bestimmte Stellen im Körper denkbar. Dies könnte die Effizienz von Therapien steigern und Nebenwirkungen reduzieren.
Auch im Umweltschutz könnten die Bakterien eine Rolle spielen. Sie könnten Schwermetalle aus Abwasser aufnehmen. Anschliessend liessen sich die Bakterien samt den aufgenommenen Schwermetallen einfach mit einem Magneten aus dem Wasser entfernen. Dies würde eine effiziente und umweltfreundliche Reinigung ermöglichen.
Hintergrundinformation
Die Forschung an magnetotaktischen Bakterien ist nicht neu, aber die Untersuchung einzelner Bakterien ist eine grosse Herausforderung. Bisherige Studien beschränkten sich oft auf die Analyse von Bakterienensembles. Die präzise Messung der magnetischen Eigenschaften eines einzelnen Organismus eröffnet jedoch neue Einblicke und Möglichkeiten für gezielte Anwendungen.
Einblick in ein einzelnes Bakterium
Um diese Anwendungen zu realisieren, ist ein detailliertes Verständnis der magnetischen Eigenschaften der Bakterien erforderlich. Die Basler Forschenden haben daher in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Dirk Schüler von der Universität Bayreuth ein einzelnes Bakterium untersucht. Die Messung des extrem schwachen Magnetismus einer einzelnen Magnetosomkette war technisch sehr anspruchsvoll.
Das interdisziplinäre Team konnte erstmals messen, wie die einzelnen Magnete innerhalb eines Bakteriums unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes zusammenwirken. Die Ergebnisse dieser wegweisenden Studie wurden kürzlich im Wissenschaftsjournal «Physical Review E» veröffentlicht.
«Wir haben zunächst ein einzelnes Bakterium an einen extrem dünnen Federbalken befestigt und dessen Schwingungen unter Magnetfeldern gemessen», erklärt Mathias Claus, Erstautor der Studie. «Aus winzigen Änderungen der Schwingungsfrequenz konnten wir ableiten, wie stark das Bakterium magnetisch ist und wie stabil seine Magnetrichtung bleibt.»
Präzise Messungen und Simulationen
Die hochsensitiven Magnetometrie-Messungen wurden durch elektronenmikroskopische Analysen und Computersimulationen ergänzt. Die Forschenden konnten die Magnetstärke der Kette präzise bestimmen. Dies bestätigte, dass die Magnetosome ausreichen, damit sich das Bakterium unter natürlichen Bedingungen parallel zum Erdmagnetfeld ausrichten und so zielgerichtet bewegen kann.
Interessanterweise zeigten die Simulationen, dass bei einer Umpolung des Magnetfeldes einzelne Magnete oder kleine Gruppen plötzlich ihre Richtung wechselten. Dieses Phänomen ist für die Bakterien in ihrem natürlichen Lebensraum jedoch ungefährlich. Das Erdmagnetfeld ist nicht stark genug, um eine solche Umpolung zu bewirken. Zudem sind die Bakterien nicht fixiert, sondern können sich einfach drehen, bis sie wieder mit dem Magnetfeld ausgerichtet sind.
«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.
Zukünftige Forschungsrichtungen
Die gewonnenen Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Technologien. Das präzise Verständnis der magnetischen Eigenschaften ermöglicht es, die Bakterien gezielter für Anwendungen zu modifizieren und zu steuern. Die Basler Forschung legt damit einen wichtigen Grundstein für die Nutzung dieser faszinierenden Mikroorganismen in den Bereichen Medizin und Umwelt.
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physikern und Mikrobiologen war dabei ein entscheidender Erfolgsfaktor. Sie zeigt, wie wichtig der Austausch zwischen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen für den Fortschritt in der Forschung ist.
