Bay­reu­ther Mikro­bio­lo­gen ent­decken Schlüs­sel­pro­te­in zur Kon­trol­le der Zell­form in Magnetbakterien

Symbolbild Bildung

Die leben­den Zel­len aller Orga­nis­men ent­hal­ten ein Zyto­ske­lett, das ihre inne­re Struk­tur und ihre äuße­re Form sta­bi­li­siert. Dies gilt auch für magne­totak­ti­sche Bak­te­ri­en. Sie erzeu­gen magne­ti­sche Nano­par­ti­kel, die sich in ihrem Inne­ren ket­ten­för­mig anein­an­der­rei­hen und ihnen eine Ori­en­tie­rung am Erd­ma­gnet­feld ermög­li­chen. Mikro­bio­lo­gen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben jetzt im Zyto­ske­lett die­ser Bak­te­ri­en ein Pro­te­in ent­deckt, das bei die­sen Struk­tu­rie­rungs­vor­gän­gen eine zen­tra­le Rol­le spielt: Das Pro­te­in CcfM beein­flusst sowohl die Ent­ste­hung der zel­lu­lä­ren „Kom­pass­na­deln“ als auch die schrau­ben­för­mi­ge Gestalt der Bak­te­ri­en. In der Zeit­schrift PNAS stel­len die For­scher ihre Ent­deckung vor.

Im Wildtyp-Stamm von Magnetospirillum gryphiswaldense sind die Magnetosomen kettenförmig angeordnet (A). Fehlt das Protein CcfM, entstehen verlängerte Zellen mit verringerter Krümmung, es bilden sich verkürzte Doppelketten (B). Eine Überproduktion von CcfM resultiert in stark gekrümmten Zellen mit teils fragmentierten Ketten (C). Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen (TEM): Daniel Pfeiffer.

Im Wild­typ-Stamm von Magne­to­spi­ril­lum gry­phis­wal­den­se sind die Magne­to­so­men ket­ten­för­mig ange­ord­net (A). Fehlt das Pro­te­in CcfM, ent­ste­hen ver­län­ger­te Zel­len mit ver­rin­ger­ter Krüm­mung, es bil­den sich ver­kürz­te Dop­pel­ket­ten (B). Eine Über­pro­duk­ti­on von CcfM resul­tiert in stark gekrümm­ten Zel­len mit teils frag­men­tier­ten Ket­ten ©. Trans­mis­si­ons­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­men (TEM): Dani­el Pfeiffer.

Magne­totak­ti­sche Bak­te­ri­en der Spe­zi­es Magne­to­spi­ril­lum gry­phis­wal­den­se sind Ein­zeller, die vor allem im Schlamm von Gewäs­sern leben. Schnur­för­mig ver­ket­te­te Nano­par­ti­kel, die Magne­to­so­men, ver­lei­hen die­sen Bak­te­ri­en eine unge­wöhn­li­che Navi­ga­ti­ons­fä­hig­keit: Sie kön­nen ihre Fort­be­we­gung am Erd­ma­gnet­feld aus­rich­ten. Wie bei allen leben­den Zel­len han­delt es sich bei ihrem Zyto­ske­lett um ein kom­ple­xes Netz­werk aus dün­nen faden­för­mi­gen Pro­te­in­struk­tu­ren. Wie die­ses zel­lu­lä­re Netz­werk zur cha­rak­te­ri­sti­schen Krüm­mung der Bak­te­ri­en bei­trägt und ob eine Ver­knüp­fung zu Struk­tu­ren besteht, wel­che die Aus­bil­dung, Loka­li­sie­rung und Ver­ket­tung der Magne­to­so­men steu­ern, war bis­her unbekannt.

Dr. Daniel Pfeiffer in einem Labor der Bayreuther Mikrobiologie neben einem 3D-SIM-Mikroskop, das fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen mit hoher Auflösung ermöglicht. Foto. Christian Wißler.

Dr. Dani­el Pfeif­fer in einem Labor der Bay­reu­ther Mikro­bio­lo­gie neben einem 3D-SIM-Mikro­skop, das fluo­res­zenz­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­men mit hoher Auf­lö­sung ermög­licht. Foto. Chri­sti­an Wißler.

Das von einer For­scher­grup­pe am Bay­reu­ther Lehr­stuhl für Mikro­bio­lo­gie in Zusam­men­ar­beit mit For­schern des MPI für Bio­che­mie in Plan­egg-Mar­tins­ried und der Uni­ver­si­tät Kiel ent­deck­te Pro­te­in CcfM bie­tet nun aber einen Schlüs­sel zum Ver­ständ­nis die­ser Pro­zes­se. In der Zell­mem­bran der Bak­te­ri­en ver­an­kert, ist das Pro­te­in einer­seits an Vor­gän­gen der Aus­for­mung und Sta­bi­li­sie­rung des schrau­ben­för­mi­gen Zell­kör­pers betei­ligt, wie sie auch in ande­ren, nicht-magne­totak­ti­schen Bak­te­ri­en zu beob­ach­ten sind. Es beein­flusst ande­rer­seits aber auch zel­lu­lä­re Vor­gän­ge, die spe­zi­ell nur in magne­totak­ti­schen Bak­te­ri­en vor­kom­men, ins­be­son­de­re den Auf­bau der inne­ren „Kom­pass­na­del“. Daher ist CcfM ver­mut­lich für die Navi­ga­ti­ons­fä­hig­keit der Bak­te­ri­en in ihrem natür­li­chen Lebens­raum von Vor­teil. „Wir haben Indi­zi­en dafür gefun­den, dass die viel­fäl­ti­gen Funk­tio­nen des Pro­te­ins CcfM die Über­le­bens­fä­hig­keit der Bak­te­ri­en im schlam­mi­gen Grund von Gewäs­sern stär­ken könn­te und ihnen inso­fern einen evo­lu­tio­nä­ren Vor­teil ver­schafft hat“, sagt Dr. Dani­el Pfeif­fer, Erst- und kor­re­spon­die­ren­der Autor der Stu­die und wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter am Lehr­stuhl für Mikrobiologie.

Die Bay­reu­ther For­scher sind den zen­tra­len Steue­rungs­funk­tio­nen von CcfM auf die Spur gekom­men, indem sie magne­totak­ti­sche Bak­te­ri­en her­ge­stellt haben, die ent­we­der über­haupt kein CcfM ent­hal­ten oder zu gro­ße Men­gen die­ses Pro­te­ins pro­du­zie­ren. Fehlt das Pro­te­in, ist die Krüm­mung der Bak­te­ri­en ver­rin­gert, und ihre Zell­tei­lung ist gestört. Statt einer ein­zi­gen lan­gen Ket­te von Magne­to­so­men ent­ste­hen kür­ze­re Ket­ten. Im Fal­le einer gene­tisch beding­ten Über­pro­duk­ti­on kommt es hin­ge­gen zu einer dra­sti­schen Ver­stär­kung der Krüm­mung im Zell­kör­per. Zudem bil­det sich die Ket­te der Magne­to­so­men an einer fal­schen Stel­le im Zell­kör­per, oder sie zer­reißt sogar in man­chen Fällen.

Auf der Basis der neu­en Erkennt­nis­se wol­len die Autoren der jetzt erschie­ne­nen Stu­die ihre Unter­su­chun­gen zu zel­lu­lä­ren Pro­zes­sen in magne­totak­ti­schen, aber auch in ande­ren, nicht­ma­gne­ti­schen Bak­te­ri­en wei­ter inten­si­vie­ren. Ein umfas­sen­des Ver­ständ­nis zur Kon­trol­le der Zell­mor­pho­lo­gie in magne­totak­ti­schen Bak­te­ri­en ist auch von Inter­es­se für die Kon­struk­ti­on magne­tisch steu­er­ba­rer „Nanoro­bo­ter“, wel­che in tech­ni­schen oder medi­zi­ni­schen Appli­ka­tio­nen zum Ein­satz kom­men könnten.