Per­fek­te Navi­ga­ti­on: Bay­reu­ther Mikro­bio­lo­gen lösen das Rät­sel der Kom­pass­na­del in Magnet­bak­te­ri­en

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. Elektronenmikroskopische Aufnahme: Frank Müller.

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. Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­me: Frank Mül­ler.

Bak­te­ri­en der Spe­zi­es Magne­to­spi­ril­lum gry­phis­wal­den­se sind Ein­zeller, die ihre Fort­be­we­gun­gen exakt am Magnet­feld der Erde aus­rich­ten kön­nen. Sie ver­dan­ken die­se Fähig­keit win­zi­gen Magne­tit-Kri­stal­len, den Magne­to­so­men. Die Kri­stal­le bil­den in der spi­ral­för­mi­gen Bak­te­ri­en­zel­le eine sta­bi­le schnur­ge­ra­de Ket­te, die wie eine Kom­pass­na­del wirkt. Mikro­bio­lo­gen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben jetzt zusam­men mit For­schungs­part­nern am Max-Planck-Insti­tut für Bio­che­mie in Mar­tins­ried und an der LMU Mün­chen ent­deckt, dass Form und Lage der Magne­to­so­men-Ket­te ent­schei­dend vom Pro­te­in MamY bestimmt wer­den. Im Fach­jour­nal „Natu­re Micro­bio­lo­gy“ stel­len sie ihre neue­sten Erkennt­nis­se vor.

Vie­le Tie­re, wie bei­spiels­wei­se Zug­vö­gel oder Honig­bie­nen, aber auch bestimm­te Ein­zeller kön­nen das Erd­ma­gnet­feld zur Navi­ga­ti­on benut­zen. 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 kön­nen. 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. 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.

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-Elek­tro­nen­to­mo­gra­fie, 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. In Bak­te­ri­en, die kein MamY ent­hal­ten, bil­den die Magne­tit­kri­stal­le zwar eine Ket­te, aber nicht mehr in einer gerad­li­ni­gen Form. 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.

„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“, erklärt Dr. Frank Mül­ler, feder­füh­ren­der Autor der Stu­die und Wis­sen­schaft­ler am Lehr­stuhl für Mikro­bio­lo­gie der Uni­ver­si­tät Bay­reuth.

Die For­scher zei­gen in ihrer Ver­öf­fent­li­chung auch, wie es dem Struk­tur­pro­te­in MamY gelingt, die stab­för­mi­ge Kom­pass­na­del in der spi­ral­för­mi­gen Bak­te­ri­en­zel­le 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.

För­de­rung:

Die Stu­die erhielt finan­zi­el­le Unter­stüt­zung durch die Deut­sche For­schungs­ge­mein­schaft und den Euro­päi­schen For­schungs­rat (ERC).

Ver­öf­fent­li­chung:

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.