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Bakterien steuern Fortbewegung mit Sauerstoff und Magnetfeld

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Von zentraler Bedeutung seien jedoch verschiedene Proteine, die das komplexe Schwimmverhalten steuern. „Werden diese Proteine im Experiment genetisch ‚ausgeschaltet‘, kommt den Bakterien nicht nur die Fähigkeit abhanden, die Sauerstoffkonzentration ihrer Umgebung wahrzunehmen. Auch die bevorzugte, in eine sauerstoffärmere Region führende Schwimmrichtung geht verloren“, so der Bayreuther Mikrobiologe.

„Lernende Bakterien“

Magnetotaktische Bakterien können sich – dies ist ein weiteres Forschungsergebnis – an die vorherrschende Richtung des Erdmagnetfelds anpassen. Das ist wichtig, weil das Erdmagnetfeld auf der Nordhalbkugel und auf der Südhalbkugel in vertikal entgegengesetzte Richtungen geneigt ist; zudem ändert es sich im Verlauf der Erdgeschichte häufig. Die Forschungsgruppe hat mehrere Bakterien-Generationen im Labor gezüchtet und hier den mit zunehmender Tiefe sinkenden Sauerstoffgehalt von Gewässern und Sedimenten nachgeahmt. Zugleich wurden die Bakterien künstlich erzeugten, vertikal ausgerichteten Magnetfeldern ausgesetzt. In einigen Experimenten entsprachen diese Felder der Polarität, die auf der Nordhalbkugel vorherrscht, in anderen Experimenten wurden die magnetischen Bedingungen auf der Südhalbkugel nachgeahmt. Schon bald zeigte sich, dass die Bakterien eine der beiden möglichen Schwimmrichtungen entlang der magnetischen Feldlinien auf Dauer bevorzugen: nämlich diejenige Richtung, die in sauerstoffärmere Regionen führt.

Anwendungspotenziale in der Nanotechnologie und Biomedizin

„Es waren langwierige Versuchsreihen erforderlich, um diese Einblicke in die Bewegungssteuerung magnetotaktischer Bakterien zu gewinnen“, erklärt Prof. Schüler und verweist auf die engagierte Mitwirkung von Felix Popp, der im Rahmen seiner Dissertation die experimentelle Hauptarbeit geleistet hat. An der Universität Bayreuth setzt Prof. Schüler die Forschungsarbeiten fort, um den komplizierten Orientierungsmechanismus magnetotaktischer Bakterien noch genauer zu verstehen.

Dabei gehe es keineswegs allein um Grundlagenforschung“, erklärt der Bayreuther Mikrobiologe: „Erkenntnisse über die winzigen körpereigenen ‚Kompassnadeln‘, die diese speziellen Bakterien in ihren Zellen tragen, können die technische Entwicklung magnetischer Nanopartikel voranbringen, die bisher unerreichte Eigenschaften haben. Diese Partikel könnten möglicherweise eines Tages dazu beitragen, medizinische Wirkstoffe oder Diagnoseverfahren zu optimieren. Es gibt sogar schon die Idee, magnetotaktische Bakterien als winzige Nanoroboter einzusetzen. Solche Nanoroboter könnten mithilfe magnetischer Felder exakt zu ihren Einsatzorten im Körper gesteuert werden, um beispielsweise Medikamente freizusetzen.“

Originalpublikation: Felix Popp, Judith P. Armitage, Dirk Schüler, Polarity of bacterial magnetotaxis is controlled by aerotaxis through a common sensory pathway, Nature Communications (2014), DOI: 10.1038/ncomms6398

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