Das Geheimnis des Bakterienkompass entschlüsselt

Magnetbakterien orientieren sich am Magnetfeld der Erde. Dazu haben sie eine integrierte Kompassnadel: eine Kette aus magnetischen Kristallen. Und obwohl die Bakterien selbst spiralförmig gekrümmt sind, ist diese Kette schnurgerade in Längsrichtung in ihnen aufgespannt. Wie das sein kann, haben nun Mikrobiologen der Universität Bayreuth zusammen mit Partnern am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried und an der LMU München herausgefunden.

Bayreuth, Martinsried , München – Orientierung ist eine wichtige Fähigkeit. Die meisten Lebewesen nutzen dafür den Sehsinn, ihr Gehör oder den Geruchssinn. Auch der Tastsinn hilft bei der Orientierung, zum Beispiel über die sensorartigen Schnurrhaare von Katzen und Mäusen. Und dann gibt es noch Spezialisten, die einen ganz besonderen Orientierungssinn haben.

So nutzen beispielsweise Zugvögel oder Honigbienen, aber auch bestimmte Einzeller das Erdmagnetfeld zur Navigation. Während dieser „sechste Sinn“ bei Tieren sich einer wissenschaftlichen Erklärung immer noch entzieht, ist er bei Bakterien bereits teilweise verstanden. Schon seit langem ist bekannt, dass Bakterien der Spezies Magnetospirillum gryphiswaldense das Erdmagnetfeld für die Navigation benutzen.

Eine Kristall-Kette als Kompassnadel

Die Bakterien verdanken diese Fähigkeit winzigen Magnetit-Kristallen, den Magnetosomen. Jedes Bakterium bildet hierfür in seiner Zelle bis zu 50 Magnetosomen, die an eine fadenförmige Struktur angeheftet sind. Diese Anheftung bewirkt, dass die Magnetit-Kristalle nicht infolge ihrer eigenen Anziehungskraft verklumpen, sondern aufgereiht werden und damit die Funktion einer Kompassnadel übernehmen. So können die Bakterien bei ihren Schwimmbewegungen der Ausrichtung des Erdmagnetfelds folgen und gelangen dadurch schneller in ihren bevorzugten Lebensraum, die Sedimente von Gewässern.

Rätselhaft war allerdings bisher, weshalb die flexible Kette der Magnetosomen eine so stabile geradlinige Form hat – während doch die Bakterienzelle spiralförmig gedreht ist (s. Abb.1). Zudem wurden in manchen Bakterien kurze Magnetosomen-Ketten beobachtet, die sich offensichtlich ohne die bereits bekannte fadenförmige Struktur gebildet hatten. Die Vermutung lag deshalb nahe, dass es noch ein anderes Stützprotein geben müsse, das magnetotaktischen Bakterien zu ihrer Kompassnadel verhilft.

Gerade gespannt im krummen Bakterium

Abb.2: Die Transmissions-Elektronenmikroskopie enthüllt eine geradlinige Kette aus winzigen Partikeln (schwarz) im Zellinneren. Die Partikel sind magnetische Kristalle von nur 40 Nanometer Durchmesser, die zu einer geradlinigen „Kompassnadel“ angeordnet sind. (Bild: Frank Müller)

Diesem Protein ist das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Frank Müller und Prof. Dr. Dirk Schüler an der Universität Bayreuth jetzt auf die Spur gekommen. Experimente mit hochsensiblen Geräten und Verfahren, unter anderem der Superauflösenden Mikroskopie und der Cryo-Elektronentomographie, haben gezeigt: Das Strukturprotein MamY bewirkt nicht nur die geradlinige Anordnung der Magnetosomen-Kette, sondern es platziert diese Kette in der Bakterienzelle so, wie es für die Ausrichtung der Schwimmbewegungen am Erdmagnetfeld am besten ist, nämlich genau parallel zur Längsachse der Zelle (s. Abb.2).

Abb.3: Elektronenmikroskopische Aufnahme: Zellen ohne MamY platzieren ihre Kette aus Magnetitkristallen falsch. Die Bildung einer geraden Kompassnadel (gestrichelte Linie) und damit die Navigation im Erdmagnetfeld ist gestört. (Bild: Frank Müller)

In Bakterien, die kein MamY enthalten, bilden die Magnetitkristalle zwar eine Kette, aber nicht mehr in einer geradlinigen Form (s. Abb.3). Die Kompassnadel ist sozusagen verbogen, was dazu führt, dass die Zellen bei ihren Schwimmbewegungen ins Trudeln kommen. Und in Bakterien, die weder MamY noch die bekannte fadenförmige Struktur besitzen, lassen sich schließlich überhaupt keine Ketten mehr erkennen, weil die Magnetosomen komplett verklumpen.

Orientierung mit dem sechsten Sinn

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„Alle diese Beobachtungen erhärten die Schlussfolgerung: MamY ist das Schlüsselprotein, das die Magnetosomen-Kette so in der Zelle anordnet, dass die Funktion einer Kompassnadel perfekt erfüllt wird. Das Protein ermöglicht den Bakterien somit eine optimale Navigation“, sagt der Mikrobiologe Müller.

Protein erkennt maximale Krümmung

Abb.4: Superauflösende Fluoreszenzmikroskopie lebender Zellen zeigt, wie das MamY-Protein in der Zelle angeordnet ist: Es folgt der stärksten Krümmung der inneren Zelloberfläche. (Bild: Mauricio Toro-Nahuelpan, Giacomo Giacomelli, Marc Bramkamp)

Die Forscher haben auch gezeigt, mit welchem Trick es dem Strukturprotein MamY gelingt, die stabförmige Kompassnadel in der spiralförmigen Bakterienzelle richtig zu platzieren. Es erkennt die Stellen, an denen die gewundene Zelloberfläche die stärkste Krümmung aufweist. Dadurch markiert es die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Enden der Zelle, die sogenannte „geodätische Achse“. Hier wird die Magnetosomen-Kette dann verankert. So kann sich das Bakterium mit hoher Präzision am Erdmagnetfeld entlang fortbewegen.

Abb.5: Die schematische Darstellung zeigt die Magnetosomen-Kette, die wie ein Stabmagnet wirkt und durch MamY (rot) in die richtige Position parallel zur Längsachse der Zelle gebracht wird. (Bild: Frank Müller)

Originalpublikation:M. Toro-Nahuelpan, G. Giacomelli, O. Raschdorf, S. Borg, J.M. Plitzko, M. Bramkamp, D. Schüler and F.D. Müller: MamY is a membrane-bound protein that aligns magnetosomes and the motility axis of helical magnetotactic bacteria, Nature Microbiology (2019); DOI: 10.1038/s41564-019-0512-8

* C. Wißler: Universität Bayreuth, 95447 Bayreuth