MagnetsinnDas Magnetfeld der Erde spüren? Magnetospirillum zeigt wie!

Meeresschildkröten, Lachse und Zugvögel haben ihn: den Magnetsinn. Durch ihn können sich die Tiere am Magnetfeld der Erde orientieren und so bestimmte Orte, wie Brutkolonien, zielsicher finden, selbst wenn diese über Hunderte Kilometer entfernt liegen. Auch das Bakterium Magnetospirillum nimmt das Magnetfeld der Erde wahr und eröffnet dadurch ganz neue Möglichkeiten für Medizin.

Magnetospirillum gryphiswaldense

Magnetospirillum gryphiswaldense bei der Zellteilung mit Magnetkristallen. Foto: © F. Mickoleit

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Zunächst glaubte ihm niemand. Als der italienische Forscher Salvatore Bellini 1963 von einem Bakterium mit Magnetsinn berichtete, war die Skepsis groß. Doch zwölf Jahre später fielen auch dem amerikanische Biologe Richard Blakemore Bakterien auf, die zuverlässig seinem Stabmagnet folgten. Mit Hilfe eines Elektronenmikroskops lüftete er ihr Geheimnis: Im Inneren der Bakterien befinden sich Ketten magnetischer Kristalle, die sich wie eine Kompassnadel am Erdmagnetfeld ausrichten.

Ein neues Zellorganell: das Magnetosom

Die Forscher bezeichnen diese Ketten als „Magnetosom“. Ein Magnetosom ist ein prokaryotisches Organell. Es besteht aus membranumhüllten Nanokristallen aus den magnetischen Eisenmineralen Magnetit oder Greigit. Je 15–30 solcher Eisenoxid-Kristalle formen eine Kette. Lange Proteinfäden bilden ein Zellskelett, welches die Kristalle, sauber aufgereiht, in der Zellmitte des Bakteriums halten. Andernfalls würden sie durch ihre magnetische Wirkung untereinander verklumpen.

Wozu das Ganze?

Magnetospirillen leben im Sediment stehender oder langsam fließender Gewässer. Dort halten sie sich bevorzugt in den tieferen sauerstoffarmen Schichten auf. Diese finden sie mit Hilfe eines Sauerstoffsensors und ihres Magnetsinns. Der Sauerstoffsensor nimmt den Sauerstoffgehalt in der Umgebung wahr, während ihnen ihr Magnetsinn hilft, sich in der richtigen Wassertiefe entsprechend dem Erdmagnetfeld auszurichten.

Neue Einblicke in grundlegende Prozesse

Magnetospirillum ist für die Forschung hoch interessant. Es ist eines der wenigen magnetotaktischen Bakterien, die im Labor kultiviert und genetisch manipuliert werden können. So ist es als Modellorganismus zur Grundlagenforschung sehr geeignet. An ihm studierten die Wissenschaftler bereits die Bildungsprozesse von prokaryotischen Organellen, die Biomineralisation, die Zellteilung und natürlich die Ausrichtung mittels des Magnetsinns.    


 

Sinne der Mikroben

Sie sind winzig, jedoch besitzen Archaeen und Bakterien Sinne, um Reize aus der Umwelt wahrzunehmen. In unserem Heft erfahren Sie noch mehr über diese mikroskopisch kleine Welt.

 


Potenzial für Biotechnologie und Diagnostik

Die Eisenoxid-Kristalle von Magnetospirillum sind in ihrer Größe und Form einheitlich. Zudem besitzen sie eine hohe Magnetisierung, die künstlich hergestellte Nanopartikel nicht erreichen. Um den Nutzen der Magnetosomenpartikel für Biotechnologie und Medizin abzuschätzen, verbanden die Forscher die Partikel versuchsweise mit fremden Molekülen. Das so entstandene Kontrastmittel übertraf in seiner Wirksamkeit kommerzielle magnetische Kontrastmittel deutlich und ist so für die Magnetresonanztomographie, kurz MRT, und andere bildgebende Verfahren in der Diagnostik interessant.

Mit steuerbaren Helfern gegen Tumore?

Stehen die Magnetosomen zudem unter dem Einfluss eines starken Magnetfelds, erzeugen sie Wärme. Durch diese ließen sich bereits erfolgreich Tumore in Tieren verkleinern. Es war den Forschern auch möglich die Magnetosomen zu isolieren und in andere Bakterien zu übertragen. Dies eröffnet die Möglichkeit beliebige Zellen in Zukunft mit einem Magnetsinn auszustatten und sie so zuverlässig zu Zielgeweben zu steuern. Auf Grund seiner großen Bedeutung für Ökologie, Gesundheit, Ernährung und Wirtschaft wurde Magnetospirillum von den Mikrobiologen der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie, kurz VAAM, zu Mikrobe des Jahres 2019 gekürt.

Sinne von Mikroben als Unterrichtsthema

Mikroben werden aufgrund ihrer Größe schnell unterschätzt. Dabei überragen vor allem ihre Sinnesleistungen die Fähigkeiten vermeintlich weiter entwickelter Lebewesen deutlich. Im Kompaktheft "Sinne der Mikroben" sind ihre Fähigkeiten, wie der Magnetsinn, thematisiert und für den praxisnahen Unterricht aufgearbeitet. Können sie außerdem Farbensehen? Wie gut ist ihr Tastsinn? Entdecken Sie zusammen mit Ihren Schülerinnen und Schülern die Welt durch die Sinne der Mikroben neu! 

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Amann, R./Schüler, D.: Biospektrum (2019): Mit modernen Methoden zu magnetischen Mikroben. Volume 25, Issue 1, S. 18 ff. doi: 10.1007/s12268-019-0993-2

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