Magnetisches Bakterium: Forscher entschlüsseln seinen inneren Kompass – Einsatz als Mikroroboter möglich

Es gibt Bakterien, die sich am Magnetfeld der Erde orientieren können. In ihrem Inneren tragen sie winzige Magnetteilchen, die wie ein natürlicher Kompass wirken. Solche magnetischen Bakterien könnten künftig wie winzige Mikroroboter im Körper eingesetzt werden.

Erstmals ist es Forschern nun gelungen, die Magnetkraft eines einzelnen Bakteriums exakt zu vermessen. Ein Team um Prof. Dr. Martino Poggio vom Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersuchte dafür das Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense. Diese Art gehört zu den sogenannten magnetotaktischen Bakterien.

Die präzisen Messdaten zeigen, wie stabil dieser natürliche Kompass funktioniert. Damit lässt sich berechnen, wie gezielt sich solche Mikroorganismen steuern lassen. Perspektivisch könnten Wirkstoffe so direkt an einen bestimmten Ort im Körper gelangen, statt sich im gesamten Blutkreislauf zu verteilen. Neben der Medizin ergeben sich daraus auch neue Möglichkeiten für technische Anwendungen im Umweltbereich.

Ein natürlicher Kompass steckt in jeder Zelle

Im Inneren dieser Bakterien liegt eine Kette aus winzigen Magnetpartikeln aus Magnetit. Diese sind nur wenige Nanometer groß. Zusammen wirken sie wie eine kleine Kompassnadel.

So richtet sich das Bakterium automatisch entlang der Magnetfeldlinien aus. In Gewässern findet es dadurch schneller Bereiche mit passendem Sauerstoffgehalt. Ohne diese Orientierung würde es sich zufällig bewegen und mehr Energie verbrauchen.

Einzelmessung war lange technisch kaum möglich

Bisher untersuchten Forscher meist viele Bakterien gleichzeitig. Die Magnetkraft einer einzelnen Zelle ist extrem schwach. Eine präzise Messung galt deshalb als schwierig.

Das Team aus Basel befestigte ein einzelnes Bakterium an einem extrem dünnen Federbalken aus Siliziumnitrid. Dieser ist nur wenige Mikrometer groß und reagiert auf kleinste Drehbewegungen. Schon minimale Veränderungen der Schwingung lassen Rückschlüsse auf die Magnetkraft zu.

Erstautor Mathias Claus erklärt: „Wir haben zunächst ein einzelnes Bakterium an einen extrem dünnen Federbalken befestigt und dessen Schwingungen unter Magnetfeldern gemessen.“ Weiter sagt er: „Aus winzigen Änderungen der Schwingungsfrequenz konnten wir ableiten, wie stark das Bakterium magnetisch ist und wie stabil seine Magnetrichtung bleibt.“

Der innere Kompass arbeitet erstaunlich zuverlässig

Die Forscher konnten so genau bestimmen, wie stark der innere Kompass einer einzelnen Zelle ist. Das Ergebnis: Die Magnetkraft bleibt nahezu vollständig erhalten. Der kleine „Kompass“ im Inneren arbeitet also sehr stabil.

Erst wenn das Bakterium sehr starken Magnetfeldern ausgesetzt wird, ändert sich seine Ausrichtung. Solche Feldstärken treten in der Natur nicht auf. Im normalen Erdmagnetfeld bleibt die Orientierung zuverlässig bestehen.

Für die Einordnung sind drei Punkte wichtig:

• Eine einzelne Zelle besitzt eine klar messbare Magnetkraft.
• Diese Kraft reicht aus, um sich stabil am Erdmagnetfeld auszurichten.
• Stärkere Magnetfelder können die Ausrichtung gezielt beeinflussen.

Grundlage für gezielte Medikamentensteuerung im Körper

Wer Bakterien künftig als Transporthelfer einsetzen will, braucht exakte physikalische Daten. Nur wenn bekannt ist, wie stabil ihr innerer Magnetmechanismus arbeitet, lassen sie sich gezielt durch Gewebe steuern. So würden die Mikroben Wirkstoffe direkt an einen bestimmten Ort bringen, etwa zu einem Tumor.

Projektleiter Dr. Boris Groß erklärt: „Sehr starke Magnetfelder können die Ausrichtung allerdings beeinflussen und damit die Orientierung der Bakterien stören.“ Für technische Anwendungen sei deshalb entscheidend, die Stabilität genau zu kennen.

Chancen für gezielte Therapien und sauberes Wasser

Die neuen Messdaten liefern erstmals eine verlässliche Grundlage für konkrete Anwendungen. Magnetische Bakterien könnten sich als steuerbare Transporthelfer mithilfe äußerer Magnetfelder gezielt durch Gewebe lenken lassen. So ließen sich Wirkstoffe präzise an schwer erreichbare Stellen im Körper bringen – mit dem Ziel, gesundes Gewebe möglichst zu schonen.

In der Umwelttechnik wäre der Einsatz in belasteten Gewässern denkbar. Dort nehmen solche Mikroorganismen Schadstoffe oder Schwermetalle auf. Anschließend lassen sie sich über ein Magnetfeld wieder aus dem Wasser entfernen. Die exakten physikalischen Werte aus der Basler Studie bilden dafür die entscheidende technische Grundlage.

Kurz zusammengefasst:

• Ein einzelnes Bakterium besitzt einen messbaren „Magnet-Kompass“ im Zellinneren – und Forscher konnten seine Stärke erstmals exakt bestimmen.
• Dieser innere Kompass ist so stabil, dass sich die Zelle zuverlässig am Erdmagnetfeld ausrichtet und nur durch sehr starke Magnetfelder beeinflussen lässt.
• Die neuen Messdaten macht es möglich, magnetische Bakterien künftig gezielt zu steuern – etwa um Medikamente punktgenau zu transportieren.

Übrigens: Während magnetische Bakterien als winzige Navigationshelfer für Medizin und Umwelt erforscht werden, verwandeln andere Mikroben ein gefährliches Treibhausgas direkt in Treibstoff, Tierfutter und Bioplastik. Wie Methan so vom Klimaproblem zur wertvollen Ressource wird, lesen Sie in unserem Artikel.

Bild: © M. Claus und M. Wyss, Nano Imaging Lab, Universität Basel