Interview Ein mächtig kleines Tool: Biogen produzierte Magnet-Nanopartikel

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Magnet-Nanopartikel haben enorm hohes Anwendungspotential in Biotechnologie wie Medizin. Welche Vorteile es bringt, die Partikel nicht chemisch sondern biogen zu synthetisieren, erläuterten uns zwei Forscher der Universität Bayreuth im LP-Exklusivinterview.

Magnet-Nanopartikel sind eine spannende Klasse von Materialien mit sehr großem Anwendungspotential. Herr Dr. Mickoleit, wie definiert man Magnet-Nanopartikel, und wie werden sie bevorzugt verwendet?

Dr. Frank Mickoleit: Magnet-Nanopartikel werden heutzutage in einer Vielzahl von biotechnologischen und (bio)medizinischen Anwendungen eingesetzt. Die Partikel sind i. d. R. in einem Größenbereich von 10 bis 100 nm einzuordnen, und bestehen aus einem magnetischen Kern (zumeist Eisenoxide), welcher von einer organischen/polymeren oder anorganischen „Hülle“ umgeben ist. Letztere verhindert das Aggregieren der Partikel und bietet zusätzliche Bindestellen für weitere funktionelle Moleküle. So können mit Biokatalysatoren ausgestattete Magnet-Nanopartikel beispielsweise in Bioreaktoren zur Herstellung von Metaboliten oder generell chemischen Verbindungen eingesetzt werden. Da die Partikel magnetische Eigenschaften besitzen, können sie bei solchen Prozessen sehr leicht vom hergestellten Produkt abgetrennt und sodann auch wiederverwendet werden.

Ein weiteres breites Anwendungsfeld liegt v. a. in der Biomedizin. So können Magnet-Nanopartikel in der Diagnostik als Kontrastmittel in magnetischen Bildgebungsverfahren (engl. magnetic resonance imaging MRI, magnetic particle imaging MPI) eingesetzt werden, um Tumore und Metastasen aufzuspüren. Die Nanopartikel lassen sich dabei magnetisch steuern, und die Ausstattung der Partikel-Oberfläche mit zusätzlichen Antikörpern oder Kopplungsgruppen zum spezifischen Aufspüren der Krebszellen kann die Effizienz wesentlich erhöhen. Zudem können Magnet-Nanopartikel therapeutisch eingesetzt werden, z. B. als Agentien für die magnetische Hyperthermie. Dabei erzeugen die Partikel in Gegenwart eines alternierenden Magnetfeldes Wärme, welche das umgebende Tumorgewerbe zerstört. Die Tumorbekämpfung kann durch das Aufbringen von Wirkstoffen auf die Partikel-Oberfläche zusätzlich gesteigert werden, welche schließlich gezielt am Bestimmungsort freigesetzt werden (drug delivery). Magnet-Nanopartikel eignen sich somit als theranostisches „Tool“, das Diagnostik und Therapie effektiv miteinander verbindet.

Und selbst in den Laboralltag haben Magnet-Nanopartikel Einzug gehalten. Aufgrund ihrer magnetischen Immobilisierbarkeit und der Möglichkeit, die Oberfläche zu funktionalisieren, können Magnet-Nanopartikel z. B. in der molekularbiologischen oder (bio)chemischen Forschung flexibel eingesetzt werden.

Das magnetotaktische Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense diente bei Ihren Untersuchungen als Modellorganismus und Produktionsstamm für bakterielle Magnet-Nanopartikel. Welche Vorteile bietet der Einsatz des Bakteriums gegenüber chemisch synthetisierten Nanopartikeln?

Dr. Marina Dziuba: Jede der beschriebenen Anwendungen besitzt konkrete Anforderungen an die Beschaffenheit der Magnet-Nanopartikel, z. B. die Partikelgröße, physiko-chemische Parameter wie die magnetischen Eigenschaften oder die Kristallinität des magnetischen Kerns, als auch die Oberflächenbeschaffenheit. Mittels chemischer Synthese lassen sich die geforderten Materialeigenschaften allerdings nicht oder nur unzureichend realisieren, und die reproduzierbare Herstellung qualitativ hochwertiger Magnet-Nanopartikel mit justierbaren Charakteristika ist nach wie vor ein ungelöstes Problem. Hier setzt unser Vorhaben an: So biomineralisiert das magnetotaktische Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense zur Orientierung am Erdmagnetfeld natürlicherweise im Zellinneren Magnet-Nanopartikel, so genannte Magnetosomen. Letztere bestehen aus einem Kern aus chemisch reinem Magnetit (Fe₃O₄), welcher von einer biologischen Membran (Magnetosomen-Membran) umgeben ist.

In den letzten Jahren konnte das Team am Lehrstuhl für Mikrobiologie der Universität Bayreuth um Prof. Dr. Dirk Schüler nicht nur effektive Verfahren zur Isolierung der Magnetosomen entwickeln, sondern es gelangen auch bahnbrechende Entdeckungen in den Bereichen der Genetik und des genetischen Engineerings dieser Mikroorganismen, welche nun die Biosynthese von Magnetosomen ermöglichen, die auf die jeweilige Anwendung „zugeschnitten“ sind. So können für die magnetische Bildgebung kleinere superparamagnetische Magnetosomen (20 bis 25 nm) produziert werden, mit im Vergleich zu chemisch hergestellten Magnet-Nanopartikeln erheblich verbesserter Signalstärke. Im Bereich der magnetischen Hyperthermie zur Tumortherapie zeigten größere (35 bis 40 nm) Magnetosomen eine bis zu 10-fach erhöhte Wärmeproduktion. Zudem lässt sich die umgebende Magnetosomen-Membran genetisch mit zusätzlichen Funktionen und Aktivitäten ausstatten, z. B. Fluorophoren, Enzymen oder Kopplungsgruppen. Das hohe Maß an Kontrollierbarkeit und Selektivität des genetischen Ansatzes kann dabei mit chemischen Verfahren nachgewiesenermaßen bisher nicht erreicht werden. So kann die Anzahl an zusätzlichen Aktivitäten auf der Magnetosomen-Oberfläche präzise feinjustiert werden, und sogar multifunktionale Magnet-Nanopartikel lassen sich so erzeugen.

Zudem kommt die biogene Produktion der Magneto­somen in Bakterien vollständig ohne den Einsatz teilweise toxischer Chemikalien aus, die bei der chemischen Herstellung mittels aufwendiger Trennverfahren wieder entfernt werden müssen, so dass eine nachhaltige „grüne“ Synthese ermöglicht wird. Die genetische Magnetisierung natürlicherweise nicht-magnetischer, photosynthetischer Mikroorganismen – ein vielbeachteter Durchbruch in der synthetischen Biologie der Magnetbakterien – könnte die Magnetosomen-Produktion zudem weiter vereinfachen: So konnten mittels Gentransfer neue Produktionsstämme erzeugt werden, die eine Licht-angetriebene Partikelproduktion in relativ einfachen Nährmedien ermöglichen, und eine weiter verbesserte Biokompatibilität der Magnetosomen in Aussicht stellen. Magnetosomen haben daher das Potenzial, den Markt für Magnet-Nanopartikel zu revolutionieren, da sie qualitativ hochwertige Materialien darstellen, die nachhaltig produziert und auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden können.

Was war die Zielsetzung des Projekts „BioMagnetix“ der Universität Bayreuth, und welche Ergebnisse konnten bereits erreicht werden?

Dr. Frank Mickoleit: Das positive Feedback vieler unserer Kooperationspartner als auch die wissenschaftlichen Diskussionen auf Konferenzen und Tagungen haben uns sehr deutlich den Bedarf an qualitativ hochwertigen Magnet-Nanopartikeln für Biotechnologie und (Bio)Medizin aufgezeigt. Wir wollen daher mit dem Exist-Projekt „BioMagnetix“ nun den nächsten Schritt in Richtung Start-Up gehen und Magnetosomen als biogen-produzierte Magnet-Nanopartikel kommerzialisieren. Dabei sollen maßgeschneiderte Magnetosomen gezielt für biomedizinische Anwendungen (magnetische Bildgebung, Hyperthermie, Wirkstofftransport) entwickelt und mit Entwicklungspartnern getestet werden. Obwohl das Projekt erst Anfang September 2023 anlief, wurden bereits erste Studien begonnen, um die Leistungsfähigkeit der Partikel für MPI als auch die Biokompatibilität weiter zu untersuchen und zu charakterisieren. Zudem konnten erste Erfolge bei der Skalierung der Zellzucht und der Magnetosomen-Gewinnung verzeichnet werden, wodurch bereits die für Pilotanwendungen im biomedizinischen Bereich benötigten Partikel-Mengen bereitgestellt werden können.

„BioMagnetix“ erhält eine Exist-Gründerförderung des Bundeswirtschaftsministeriums in Höhe von 150.000 Euro. Wie werden Sie die Fördergelder verwenden?

Dr. Marina Dziuba: Die zur Verfügung gestellte Summe soll – neben der Sicherung des Lebensunterhalts der Stipendiaten – zur weiteren Vorbereitung der Ausgründung aus der Universität verwendet werden. Dies umfasst Sachmittel für den wissenschaftlichen Bereich zur Skalierung der Produktion, d. h. die weitere Optimierung der Zellzucht in speziellen Bioreaktoren, der Magnetosomen-Synthese in den Zellen, als auch die Isolierung der Nanopartikel mittels verbesserter Trennverfahren. Die so hergestellten Magnetosomen sollen schließlich einer ausgiebigen Qualitätskontrolle unterzogen werden, um sie anschließend in biomedizinischen Anwendungen testen zu können. Darüber hinaus sollen die Fördergelder gezielt für Coaching eingesetzt werden, um mit Unterstützung von Unternehmensberatern aus dem Bereich der Biotechnologie das Business Model und den Business Plan weiter auszuarbeiten und zu verfeinern. Neben der Identifikation von Ideen-Wettbewerben soll der Markt auf Konkurrenten, potentielle Kunden und Investoren gescreent werden, um frühzeitig eine Weiterfinanzierung des Projekts zu ermöglichen als auch den Markteintritt vorzubereiten – die Grundvoraussetzungen für eine erfolgreiche Ausgründung aus der Universität.

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