Anziehende Eigenschaften

Sie leben im Sediment von Süß­gewässern rund um die Welt – Bakterien, die sich mit Hilfe von eisen­haltigen Vesikeln – den Magnetosomen – am Erdmagnet­feld orientieren können. In Kombination mit einer Messung des Sauerstoff­gradienten hilft der Magnetsinn den „Magnet­bakterien“ dabei, im Sediment die bevorzugte oxisch-anoxische Grenzschicht aufzufinden. Die rund 40 Nanometer großen Magento­somen sind in der Zelle kettenförmig aufgereiht und bilden dadurch eine Art Kompassnadel. Umschlossen sind sie von einer Phospho­lipidmembran, in der verschiedene Proteine eingelagert sind. Dadurch erfüllen sie die Kriterien für ein Zellorganell, das als abgeschlossenes Kompartiment mit einer eigenen Funktion definiert wird.

Während das Vorkommen von Organellen früher als Unterschei­dungsmerkmal zwischen Pro- und Eukaryoten galt, weiß man inzwischen, dass Organellen auch bei Prokaryoten keine Seltenheit sind. Ein Modell­organismus für die Erforschung der Magnetbakterien ist Magneto­spirillum gryphis­waldense – ein Gram-negatives Alphaproteo­bakterium, das im Jahr 1990 von Dirk Schüler aus dem Schlamm des Flüsschens Ryck bei Greifswald isoliert wurde. Nach verschiedenen Stationen im In- und Ausland – zuletzt als W2-Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität – ist Schüler inzwischen Inhaber des Lehrstuhls für Mikrobiologie an der Universität Bayreuth. Doch noch immer ist M. gryphis­waldense sein wichtigstes Forschungs­objekt, an dem die Aufklärung der Funktionsweise des bakteriellen Magnetsinns und der Biosynthese der Magnetosomen gelungen ist.

Wertvolle Mikrobe mit Auszeichnung

Im Jahr 2019 erhielt das Greifswalder Magnet­bakterium auch über die Mikrobiologie-Community hinaus Aufmerk­samkeit, als es von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) als „Mikrobe des Jahres“ ausgezeichnet wurde. Diese Auszeichnung geht an wissen­schaftlich besonders interessante Mikro­organismen, die außerdem einen Wert für die Gesellschaft aufweisen wie etwa Milchsäure­bakterien, denen wir Käse und Joghurt verdanken, oder Rhizobien, die durch die Fixierung von Luftstick­stoff das Wachstum von Pflanzen verbessern.

Tatsächlich könnte sich auch M. gryphis­waldense in Zukunft nützlich machen: So weisen die Magneto­somen gleich mehrere Eigen­schaften auf, die sie für einen Einsatz als natürliche Magnet­nanopartikel in der Biomedizin prädestinieren. Zum einen sind sie in ihrer Form und Größe sehr homogen und bilden perfekte Kristalle aus Magnetit. Mit Hilfe eines magnetischen Felds lassen sie sich außerdem leicht manipulieren. Denkbare Anwendungen sind bildgebende Diagnostik­verfahren wie die Magnetresonanz­tomografie oder die Magnetfeld­hyperthermie, mit der Krebszellen durch gezielte Wärme­erzeugung im Gewebe zum Absterben gebracht werden sollen.

Einzigartige Heizleistung

Bei beiden Methoden kommen heute synthetische magneti­sierbare Partikel aus Eisenoxid zum Einsatz. „Magneto­somen weisen aber bessere magnetische Eigenschaften auf, so dass für den Einsatz potenziell geringere Dosen erforderlich sind“, erklärt Schüler. „Heizleistung der Magneto­somen bei der Hyperthermie und Kontrast bei bildgebender Diagnostik sind bisher unerreicht.“

Ein weiterer Vorteil sei, dass sich Magneto­somen vermutlich besser mit Liganden bestücken lassen, wie René Uebe, der am Lehrstuhl von Schüler eine eigene Arbeitsgruppe leitet, hinzufügt: „Liganden sind für die magnetischen Effekte zwar nicht essentiell, könnten aber zusätzliche Funktionen wie gezieltes Binden an gewebe­spezifische Rezeptoren, Detektion mit Hilfe von Fluoreszenz und Kopplung an Wirkstoffe ermöglichen.“

Dabei kann man die Magneto­somen aus den Bakterien isolieren und anschließend chemisch mit Liganden koppeln. Eleganter ist es aber, die Bakterien genetisch so zu verändern, dass sie direkt Vesikel mit den gewünschten Eigen­schaften produzieren. „Als molekulare Mikrobiologen haben wir bisher vor allem die genetische Funktio­nalisierung der Magneto­somen untersucht“, bestätigt Uebe. „Spezifität und Steuer­barkeit lassen sich so besser erreichen als chemisch. Bisher sind wir bei unserem Vorgehen natürlich auf Peptid-/Proteinen-Liganden beschränkt, die nicht toxisch für die Bakterien sein dürfen. Dennoch können wir bereits funktionelle Kupplungs­gruppen oder sogar Antikörper­fragmente auf der Magnetosomen-Oberfläche koppeln, die anschließend eine flexible Kopplung mit ganz verschiedenen Biomolekülen erlauben.“ Das Ganze könne man sich als eine Art genetischen Nano-Baukasten für neue Biomaterialien vorstellen, so die Mikrobiologen.

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Sauber isoliert …

Damit ein Einsatz der bakteriellen Organellen am Menschen möglich wird, müssen diese jedoch in großer Menge hergestellt und möglichst rein gewonnen werden. Um diesem Ziel näher­zukommen, haben sich die Bayreuther Mikro­biologen mit Arbeitsgruppen aus der Physikalischen Chemie, der Bioprozess­technik sowie des Nordbayerischen NMR-Zentrums zusammengetan.

Zwar lassen sich Magnetosomen im Prinzip recht einfach mit Hilfe eines Stabmagneten anreichern, doch ist das Verfahren nicht ausreichend selektiv, sodass noch Verun­reinigungen in der Probe bleiben, und zudem schlecht hochskalierbar. Auch können beim Zellaufschluss eingesetzte denaturierende Agenzien, Proteasen oder Ultraschall die Magneto­somen-Hülle beschädigen. „Stattdessen verwendeten wir ein mehrstufiges und schonendes Verfahren“, erklärt Frank Mickoleit, Postdoktorand am Lehrstuhl für Mikrobiologie und einer der Erstautoren der Publikation, die das Verfahren beschreibt und die Uebe als einer der Letztautoren verantwortet. Dabei wurden im ersten Schritt die Bakterien­zellen durch hohen Druck aufgeschlossen. Eine anschließende Analyse über dynamische Licht­streuung zeigte, dass die Magneto­somen die Prozedur gut überstanden hatten. Um die Vesikel von den Zelltrümmern zu trennen, kam statt eines Stabmagneten eine magneti­sierbare Matrix zum Einsatz. Zum Abschluss wurden die Magneto­somen noch durch ein Saccharose-Kissen ultra­zentrifugiert.

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… und gut verträglich

Jetzt war natürlich noch die Frage zu klären, ob die Partikel von Säugetier­zellen auch vertragen werden. Dies testeten die Forscher in Kooperation mit der Uniklinik Jena an zwei verschiedenen Krebs­zelllinien und an primären Zellen aus menschlichem Plazenta­gewebe. Selbst bei der höchsten getesteten Magneto­somen-Konzentration von 100 µg/cm² überlebten immer noch mehr als Zweidrittel der Zellen, womit die Biokompatibilität in etwa bei der von synthetisch hergestellten Eisenoxid-Partikeln lag.

Jetzt bleibt nur noch auszuschließen, dass die Magnetosomen – sei es durch ihre Proteine oder durch verbliebene Verun­reinigungen – eine ungewollte Immunantwort auslösen. Ein weiteres Problem könnte sein, dass M. gryphis­waldense als Gram-negatives Bakterien eine äußere Membran aus Lipopoly­sacchariden (LPS) besitzt. Deren Bestandteile können als Endotoxin Fieber und einen septischen Schock hervorrufen. Das Risiko dafür ließe sich möglicher­weise durch die Verwendung von Produktions­stämmen verringern, bei denen bestimmte Gene für die LPS-Biosynthese ausgeschaltet sind. Bei anderen Gram-negativen Bakterien war diese Strategie schon erfolgreich, und auch die Bayreuther Mikrobiologen halten sie für vielversprechend: „Tatsächlich haben wir hierzu schon erste Versuche gemacht.“

Larissa Tetsch

Rosenfeldt S. et al. (2021): Towards standardized purification of bacterial magnetic nanoparticles for future in vivo application. Acta Biomaterialia, 120:293-303

Bild: Pixabay/matthewsjackie

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