Bakterien: Die Magnete der Mikroben

Seit Jahrhunderten vertrauen Seefahrer auf ihren Kompass. In der Natur ist das Prinzip aber schon weitaus länger bekannt. Manche im Wasser lebenden Bakterien orientieren sich ebenfalls am Magnetfeld der Erde. Als Kompass tragen sie eine Perlenkette aus winzigen Nanopartikeln des magnetischen Minerals Magnetit (Fe3O4) in sich. Die Teilchen, die die Bakterien selbst herstellen, haben so einzigartige magnetische Eigenschaften, dass sie für die Medizintechnik von großem Interesse sind. Allerdings weiß bislang nur die Natur, wie man sie herstellt. Der Chemiker Damien Faivre vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung will das Geheimnis lüften. Mit dem Wissen, so hoffen die Forscher, kann ein Verfahren entwickelt werden, mit dem die Teilchen zunächst im Reagenzglas und später im industriellen Maßstab gefertigt werden können.

Vor 35 Jahren entdeckte der amerikanische Mikrobiologe Richard Blakemore Wasserlebewesen, die sich am Magnetfeld der Erde orientieren und gab ihnen den Namen „magnetotaktische“ Bakterien. Da die Magnetfeldlinien jenseits des Äquators schräg nach unten geneigt sind, führen sie die magnetotaktischen Bakterien auf den Grund von Gewässern, wo sich Sediment und Wasser vermischen und wo die Tierchen die für ihre Ernährung idealen sauerstoffarmen Bedingungen vorfinden.

Die weniger als 100 Nanometer (Millionstel Millimeter) großen Magnetit-Nanopartikel sind von einer Membran umgeben, sodass sie nicht verklumpen. Sie reihen sich entlang von Proteinfasern im Körper der Bakterien zu einer Kette, die wie eine Kompassnadel wirkt und sich in die Richtung des Erdmagnetfeldes dreht. Das Bakterium wird mitgedreht. Wenn die Mikroben dann mit ihren Geißeln rudern, bewegen sie sich entlang der magnetischen Feldlinie wie auf einer Schiene zum Grund des Gewässers.

„Die Bakterien erzeugen perfekte magnetische Nanopartikel“, sagt Faivre. Zum einen stellen die magnetotaktischen Bakterien Partikel mit einer gleichbleibenden Größe her, was Techniker aufhorchen lassen dürfte. Denn eine einheitliche Partikelgröße ist für sie ein wichtiges Qualitätsmerkmal bei der Produktion von Nanopartikeln. „Die Bakterien können darüber hinaus auch die Form der Teilchen kontrollieren“, sagt Faivre. Bestimmte Arten magnetotaktischer Mikroben stellen kugel-, andere Arten nadelförmige Magnetitpartikel her. Erstaunlich dabei ist, dass jede Bakterienart ihre Teilchen in einer einheitlichen Form fabriziert. Kurzum: Bei der Synthese der winzigen Magnete verwirklichen die Bakterien eine perfekte interne Qualitätskontrolle.

Das macht die Teilchen interessant für Anwendungen in der Medizin. Diese verlangen nämlich magnetische Nanopartikel bestimmter Größe oder Form, wie sie bisherige Herstellungsverfahren nicht zustande bringen. So ist der Magnetismus von Teilchen bestimmter Bakterien aufgrund ihrer Größe von rund 40 Nanometern magnetisch sehr stabil. Das führt dazu, dass sie die Energie von elektromagnetischen Wechselfeldern besonders gut aufnehmen und sich dadurch stärker erwärmen als künstlich hergestellte Partikel, die es nur größer oder kleiner gibt.

Die Fähigkeit der Nanopartikel, die aufgenommene Energie effektiv in Wärme zu verwandeln, wollen Mediziner nutzen, um Tumoren zu bekämpfen. Schon heute testen Wissenschaftler die Wärmebehandlung von Krebs mit künstlich hergestellten magnetischen Nanopartikeln. Sie bringen die Teilchen ins Tumorgewebe ein und bestrahlen es mit Radiowellen. Die Partikel erwärmen sich und damit das Gewebe. Bei knapp 60 Grad Celsius sterben die Krebszellen ab. Noch besser geeignet wären jene Teilchen, wie sie von magnetotaktischen Bakterien hergestellt werden. „Dann bräuchte man weniger Nanopartikel, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Das würde potenzielle Nebenwirkungen herkömmlicher Therapie vermindern“, sagt die Biologin Melanie Kettering vom Universitätsklinikum Jena. Dort wurde die Wärmebehandlung mit magnetischen Nanopartikeln im Reagenzglas und an Labormäusen erfolgreich getestet. Demnächst soll mit Behandlungen von Brustkrebspatientinnen begonnen werden.

Andere Anwendungen verlangen eine bestimmte Form von magnetischen Nanopartikeln, da sie einheitliche magnetische Eigenschaften hervorrufen. Längliche Partikel zum Beispiel könnten als Kontrastmittel bei Magnetresonanzbildverfahren verwendet werden, wie Faivres Team mithilfe von Computersimulationen zeigte. Gewebe, in denen sich solche Partikel befinden, würden auf dem Magnetresonanzbild dunkler erscheinen. Dadurch könnte etwa ein Tumor in einem frühen Stadium entdeckt werden. Wenn man nämlich an die Nanopartikel Antikörper heftet, die sich an Tumorzellen anlagern, versammeln sie sich am Krebsgeschwür und machen es damit sichtbar. Doch noch sind die Forscher weit davon entfernt, mit den Methoden der Natur magnetische Nanopartikel bestimmter Form und Größe herstellen zu können.

Zwar haben sie erste Erkenntnisse gewonnen. Sie wissen, das die magnetotaktischen Bakterien das Wachstum der Magnetitkristalle mithilfe von 20 bis 30 Proteinen, sogenannten magnetosomalen Proteinen, steuern. Bislang konnten japanische und amerikanische Forscher lediglich die Aufgabe eines einzigen magnetosomalen Proteins klären. Es ist in die Membran eingebunden, welche die Magnetitpartikel umhüllt. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es die Größe der magnetischen Teilchen mitbestimmt. Die Funktion der anderen Proteine ist noch nicht geklärt. Einige davon erforscht Faivres Team. Sie hoffen beispielsweise das Eiweiß zu finden, das die Form der magnetischen Partikel steuert.

„Wenn man weiß, wie die einzelnen Proteine Größe und Form der Magnetitpartikel mitbestimmen, wäre es möglich, quasi auf Bestellung, magnetische Nanopartikel herzustellen“, hofft Faivre. „Ob nun mit 20, 50 oder 100 Nanometern Durchmesser oder mit bestimmter Form, etwa rund oder nadelförmig.“ Dann müsste man nur noch die dafür nötigen Proteine wie aus einem Baukasten entnehmen. Bevor das möglich wird, müssen die Wissenschaftler aber zunächst die Funktionen aller magnetosomalen Proteine enträtseln.