Magnetotaktische Bakterien

[rlu]

Hallo,

wir hatten an unserem letzten Vereinsabend einen Vortrag von Dr. Julia Kollofrath(LMU) zum Thema Magnetotaktische Bakterien und deren Rolle in der Geophysik.
Mikrotermine

Magnetotaktische Bakterien bewegen sich längs zu den Magnetfeldlinien der Erde oder alternativ zu einem künstlich angelegten Magnetfeld.





Mit dabei waren noch zwei Kollegen, Namen folgen.

Interessant war für uns Mikroskopiker: Die Mikroskope die verwendet wurden, waren inverse Mikroskope, die an an einem 3D-Drucker ausgedruckt worden sind. Es ist möglich diese direkt über WLAN mit dem Handy zu verbinden oder über eine USB 3.0 Schnittstelle. Außerdem erfolgt das Scharfstellen über einen Gaming-Controller.

Mit dieser Anordnung der Magnetfeldspulen läßt sich ein Drehfeld erzeugen. Die Bakterien schwimmen im Kreis.


Aus mehreren Schlammproben wurde ein Tropfen auf einen Objektträger aufgebracht. Daneben ein sauberer Tropfen und mit der Schlammprobe verbunden. Man will ja sehen wohin sich die Baktierien bewegen, da ist sauberes Wasser hilfreich. Ein größerer Magnet wurde auf den Objekttisch positioniert und ein Deckglas aufgebracht. Nach kurzer Zeit begannen die Bakterien sich auf den Magnetfeldlinien hin und her zu bewegen.


Das ist mehr als erstaunlich. Bakterien bewegen sie sehr erratisch und zudem werden sie auch noch aufkonzentriert. Es soll verschiedene Arten von Bakterien geben, die diese Eigenschaft haben. Dazu wurde auch ein Fragebogen von der Referentin ausgegeben, der das wissenschaftlichen Arbeiten fördern in Schulklassen fördern soll. Spirillen, Spirochäten, Kokken, Stäbchen. Na ja so eine genaue Zuordnung haben wir nicht geschafft. Bin mir nicht mal sicher, was hier auf dem Video zu sehen ist.
Interessant wäre es die Bewegungsmuster gegeneinander darzustellen. Spirochäten und Spirillen bewegen sich völlig unterschiedlich.


Kleine Abhandlung:
Magnetotaktische Bakterien sind Mikroorganismen, die sich mit Hilfe eines biologischen ,,Kompasses" am Erdmagnetfeld ausrichten können.

Funktionsweise und Aufbau

• Magnetosomen: Sie besitzen im Inneren kettenförmig angeordnete Organellen, die als Magnetosomen bezeichnet werden.
• Magnetit-Kristalle: Diese Kette enthält winzige Nanokristalle aus Magneten oder Greigit (Eisenoxide bzw. -sulfide), die wie ein winziger Dauermagnet wirken.
• Orientierung (Magnetotaxis): Durch die Kristalle schwimmen die Bakterien entlang der magnetischen Feldlinien der Erde.

Lebensraum und Ökologie

• Gewässer: Sie leben weltweit in aquatischen Lebensräumen, im Sedimentschlamm von Seen, Flüssen oder Ozeanen.
• Sauerstoffbedarf: Die meisten Arten sind mikroaerophil, das bedeutet, sie bevorzugen Umgebungen mit einer geringen Sauerstoffkonzentration. Das Magnetfeld hilft ihnen dabei, sich vertikal im Sediment so zu orientieren, dass sie in ihrer optimalen Sauerstoffzone bleiben.

Forschung und Anwendung

• Biomineralisation: Wissenschaftler erforschen am Beispiel dieser Bakterien, wie lebende Zellen mineralische Nanopartikel gezielt herstellen. Laut dem Max-Planck-Institut füryne und weitere Forschungsgruppen nutzen sie dafür Eisen-II-Ionen und spezielle Proteine (Magnetochrome).
• Biotechnologie: Die biologisch hergestellten Magnetpartikel könnten zukünftig in der Biomedizin genutzt werden – etwa für die Krebstherapie, den gezielten Transport von Medikamenten (Drug Delivery) oder die Datenspeicherung

Außerdem sollen Sedimente, die diese Bakterien enthalten, Hinweise auf Polsprünge(Wechsel der Magnetfeldrichtung der Erde) geben.

Magnetotaktische Baktierien bewegen sich längs der Magnetfeldlinien. Übersicht.

Magnetotaktische Baktierien bewegen sich längs der Magnetfeldlinien. Ausschnitt.



Liebe Grüße
Rudolf

[Daniel Scheibenstock]

Hallo Rudolf,

Das ist faszinierend, vielen Dank fürs zeigen🙂 gab es Erkenntnisse dazu wie und ob die Stärke des Magneten wirken?

Liebe Grüße Daniel

[rlu]

Hallo Daniel,

wir waren froh, dass wir überhaupt Erfolg hatten. Zuerst hieß es, es geht nur mit hängenden Tropfen und einem inversen Mikroskop. Aber es funkioniert auch unter einem normalen Deckglas.
Wir haben weder die Feldstärke noch die Richtung des Magnetfelds variiert. Auch nicht an den äußeren Enden geschaut.
Interessant wäre auch, ob es in z-Richtung einen Effekt gibt, also nach oben und unten.

Diese Bakterien leben hauptsächlich im Schlamm. Also gilt es erst einmal Schlammproben und Stellen zu finden, die diese Bakterien enthalten.

Es gibt ja die These, dass dieses Verhalten dazu dient, schneller in einem bestimmten für die Bakterien vorteilhaften Bereich zu kommen. Vielleicht wo ein bestimmter Sauerstoffgehalt oder Redoxpotential vorliegt. Aber ich bin da noch nicht überzeugt.

Es müsste auch Räuber geben, also Einzeller, die diese Bakterien fressen und sich vielleicht als Angel ein Magnetfeld zulegen. Scharfe These.

Ich werde jetzt ein paar Magneten ordern und dann beginnt die Suche.

Liebe Grüße
Rudolf

[hugojun]

Hallo Rudolf,

ich kann mir vorstellen, dass dieser Vortrag höchst interessant war und ich bedauere nicht dabei gewesen zu sein (zu können).
Magnetismus ist ein faszinierendes Phänomen, was den meisten ja nur in Erscheinung tritt, wenn es sich um die bekannteste Form die uns im Alltag begegnet handelt.
Tatsächlich lässt die Physik es aber zu, alle nur denkbaren Materialien und Stoffen zu ,,Magnetisieren", wie es ja die Untersuchungen am Kernspinn Tomographen überzeugend belegen.
Mein spezielles Interessengebiet ist ja der Paläomagnetismus. Die dazu entwickelten Untersuchungsmethoden sind in der Lage, Ausrichtung und Stärke des im Gestein ,,eingefrorenen ,,Restmagnetismus zu messen und zu deuten.
Die Polsprünge ,,des Erdmagnetfeldes wurde ja schon genannt. Dass dies in bestimmten Sedimenten nachweisbar ist, liegt aber nur sekundär an den ehemals vorhanden gewesenen Bakterien der in dem Vortrag behandelten Typs, nämlich deren Hinterlassenschaften nach dem Absterben.
Wie bei den Sedimenten zu erwarten, handelt es sich um Gesteine oder Produkte von Sanden, die über geologische Zeiträume Umlagerungen erfahren haben, die es besonders schwer machen, Polumkehrungen einzumessen, da der eventuell erhalten Paläomagnetismus aus ganz anderen Erdgeschichtlichen Zeiten und Richtungen und Orten stammen kann.
Zu den Versuchsanordnungen möchte ich folgendes sagen.
Sie zeigen eindeutig die Abhängigkeit der Bakterien vom Einfluss eines äußeren Magnetfeldes. Nur zeigen sie nicht, wie diese Bakterien diesen Einfluss für sich nutzen können.
Dass sie sich erratisch und entlang der Feldlinien bewegen, ist quasi durch das um 3 bis 4 Zehnerpotenzen stärkere Magnetfeld, verglichen mit dem Erdmagnetfeld, bedingt, das den Bakterien keine Wahl mehr bleibt und sie sich wie Eisenpulver anordnen und anreichern.
Die gezeigten  Helmholtz-Spulen sind sehr aufwendig zur Erzeugung eines in 3 Achsen kontrollierbaren Magnetfeldes  konturiert. Ich kann mir vorstellen, dass damit ein ortsabhängiges,
0-Feld, also ein das Erdmagnetfeld neutralisierendes Feld, erzeugt werden kann.
Die Bewegungsmuster der unterschiedlichen Bakterien würden dann aussagekräftiger. Es würde sich zeigen, wieviel Energie zum" Leben bei niedrigen Reynolds-Zahlen" erforderlich ist, weil die Fortbewegung nun messbar in Richtung und Stärke eingestellt werden kann.

lG
Jürgen

[rlu]

Hallo Jürgen,

du bringst einen auf Sachen.

1. Du meinst also, dass sie eher Eisenspänne mit Motor sind(Vorwärts- und Rückwärtsgang), die durch das angelegte Magnetfeld gezwungen werden auf den Bahnen des Magnetfelds zu laufen.
Ursprünglich, davon bin ich ausgegangen, die Bakterien steuern sich durch die Magnetsensoren selber, indem sie durch feine Reize dem Magnetfeld folgen.
Deine These ist aber mehr die Eisenbahnschiene, weil das Magnetfeld so stark ist.

2. Die Idee durch Anlegen eines variablen Magnetfelds die Reynoldszahl zu ermitteln: Meine These ist ja, dass die Masse in dieser Größenordnung so klein ist, dass kein Impuls vorhanden ist und ohne Zilienschlag, die Mikrobe sofort zum Stillstand kommt. Da es sehr agile Schwimmer gibt, glaube ich nicht an die Zähigkeit des Mediums Wasser. 

3. Wir haben uns beim Griechen über die Polsprünge unterhalten. Dabei war auch ein Geophysiker. Er hat verneint, dass die Polsprünge alle 25.000 Jahre auftreten. Er meinte das kann auch 400.000 Jahre dauern. Der Grund, ich gebe es wieder, seien Kontinentalplatten, die wenn sie abtauchen, die Strömung im Erdinneren verändern und damit auch die Polarität der Pole -> Polsprung.

4. Stelle mir das auch schwer vor, aus den Sedimenten die gedreht, gefaltet und umgebaut über Millionen von Jahren werden, eine klare Aussage über die Lage der Pole zu bekommen. Aber vielleicht ist das möglich.

5. Die gekreuzten Helmholtz-Spulen könnten auch das Magnetfeld der Erde neutralisieren. Gedacht ist aber eine Drehfeld zu erzeugen, welches sich so langsam dreht, dass die Bakterien eine Drehbewegung mitgehen/ausführen.

Liebe Grüße
Rudolf

[hugojun]

Hallo Rudolf,

ja , zu 1 ,,Ursprünglich, davon bin ich ausgegangen die Bakterien steuern sich durch die Magnetsensoren selber, in dem sie durch feine Reize dem Magnetfeld folgen."
Tun sie auch, aber nicht mehr unter Verhältnissen, die ihre ,,eigenen Entscheidungsmöglichkeiten ,,wegen Reizüberflutung außer Kraft setzen.

Zu 3 , die Zeiträume zwischen und die Dauer einer Umpolung ist sehr unterschiedlich , darin ist man sich einig.

Zu 5 , wurde da genauer drauf eingegangen , warum man die Bakterien auf eine Drehbewegung bringen will und ob man daraus physikalisch Größen ableiten kann?

lG
Jürgen

[RainerTeubner]

Hallo Rudolf,

 was ist denn das für ein Mikroskop? Hast Du da nähere Informationen oder einen Link dazu?

Vielen Dank!

Rainer

[rlu]

Hallo Rainer,

ich kann dir im Moment noch nicht mehr sagen. Mir fehlt noch der Kontakt von dem Teilnehmer, der für die Mikroskope zuständig war. Der Grundkörper wird mit 3D ausgedruckt. Es handelt sich um ein inverses Mikroskop. Das Objektiv ist natürlich nicht gedruckt und muss gekauft werden, vermutlich eines mit einem größeren Arbeitsabstand. Interessant ist die Kopplung mit WLAN und die Bildübertragung. Wobei als dann alle drin waren nichts mehr ging. Wir waren froh, dass wir unsere analogen Zeiss Standards hatten.

Ich werde versuchen, Genaueres herauszufinden.

Liebe Grüße
Rudolf

[RainerTeubner]

Hallo Rudolf,

 handelt es sich vielleicht um folgendes Mikroskop: https://openflexure.org/ ?

Viele Grüße!

Rainer

[rlu]

Hallo Rainer,

ich gehe davon aus, dass es das ist.

https://taulab.eu/openflexure/13-1-ofmv7-full-kit.html#/1-ofm_variant-low_cost_optics/4-3d_printed_parts-yes_all_black
Das ist ein Kit-Preis.

Ob es günstiger wird, wenn man alles selber macht?

Er hat was von rund 300€ gesagt. Das 40er und 100er machen vermutlich mit der inversen Beleuchtung keinen Sinn.

Scheint bereits eine Erfolgsgeschichte zu sein:
https://openflexure.org/community/user-stories




Liebe Grüße
Rudolf

[RainerTeubner]

Hallo Rudolf,

 ich wage zu bezweifeln, daß ein Selbstbau billiger kommt, zu den Kosten für einen 3-D Drucker kommt ja noch das unvermeidliche Lehrgeld dazu, das man zahlen muß, bis die eigene Erfahrung ausreichend ist, so ein Teil zu drucken.

Aber als Projekt für eine mikroskopische Vereinigung ist es sicher interessant.

Vielleicht meldet sich ein Mitglied des Forums mit Erfahrungen beim Selbstbau.

Viele Grüße!

Rainer

[Heribert Cypionka]

Hallo Rudolf,

ein sehr schönes Thema    Ich darf in dem Zusammenhang auf ein Kapitel im Mikrobiologischen Garten hinweisen, das im vor 23 Jahren in Perth, Australien, gemacht habe https://www.mikrobiologischer-garten.microbial-world.com/de/demag01.htm Dort gibt es auch zwei kurze Filme (bescheidener Qualität), wo sie auf Magneten reagieren.

Interessanterweise sind die magnetischen Bakterien auf der Südhalbkugel Süd-suchend, im Norden wollen sie lieber nach Norden, und das hat seinen Grund - siehe Link oben...

LG
Heribert

[rlu]

Hallo Heribert,

ja ein wirklich anziehendes oder besser gesagt ausgerichtetes Thema.

Nord-Süd
Der Nordpol ist ein magnetischer Südpol.

Schwimmen auf der Magnetfeldlinie und eine andere Superkraft
Die Beobachtung zeigt, die Bakterien schwimmen auf einer Linie hin und her. Diese Linien sind die Magnetfeldlinien des Magneten. Die "Nord-Süd-Schiene"

In deinem Mikrogarten diskutierst du genau das.

Die oft für die magnetischen Bakterien verwendete Bezeichnung 'magnetotaktisch' ist irreführend, da die Bakterien wohl nur passiv parallel zu den Feldlinien ausgerichtet werden.

Der Begriff "Taxis" ist unscharf. Ich dachte oder vielleicht war das früher so, Taxis ist eine Bewegung in Richtung eines Gradienten oder Reizes.
Der Begriff scheint aber weiter gefasst zu sein. Es kann auch nur bedeuten, die Bewegung wird durch einen Reiz verursacht, also hin und her und zugleich auf einer Linie.


Dann schreibst du, die eigentliche Taxis ist die Suche nach der für diese Bakterien perfekten Zone.
Aerotaxis (das Erfühlen von Sauerstoff), hier der oxisch-anoxischen Übergangszone.
Anoxisch = kein Sauerstoff. Also nicht zu viel und nicht zu wenig.
Das soll die Schicht zu Beginn des Schlamms oder kurz darunter sein.

Also haben die Bakterien durch die Kombination dieser beiden Taxis eine optimale Möglichkeit in ihren perfekten Lebensraum zu schwimmen. Die Bakterie muss sich nur noch entscheiden, ob sie vorwärts oder rückwärts auf der Magnetfeldlinie schwimmt. Die Magnetfeldlinien zeigen in den Boden in Richtung Schlamm oder wenn es zu sauerstoffarm wird in Richtung Oberfläche.

Wenn die Forscher das Magnetfeld ausschalten, brauchen die Bakterien länger um in die optimale Zone zu kommen und verbrauchen mehr Energie. Das nennt man Zickzack oder "Run and Tumble" = Rennen und Neuausrichtung

Die 180° Drehung der Bewegungsrichtung scheint über die Umkehrung der Drehrichtung der Geißeln (Flagellen) zu passieren. Die Bakterie dreht sich nicht um.

Geophysik
Geophysik und Magnetotaxis:
Es ist eine rein physikalische Kraft, die das Bakterium ausrichtet. Das Bakterium muss diesen Reiz überhaupt nicht aktiv "fühlen" oder aktiv gegensteuern.
Das unterscheidet die Magnetotaxis grundlegend von fast allen anderen Sinnen (wie dem Sehen, Riechen oder der Chemotaxis):
• Keine Sinnesverarbeitung: Das Bakterium hat kein Nervensystem und keine Proteine, die das Magnetfeld "messen" und dann die Geißeln so steuern, dass es sich dreht.
• Reine Physik (passiver Zwang): Die Magnetosomenkette im Inneren ist so stark magnetisch, dass das Erdmagnetfeld den gesamten Körper des Bakteriums mechanisch in die richtige Richtung zwingt. Selbst wenn das Bakterium komplett tot ist, richtet es sich im Magnetfeld immer noch perfekt entlang der Feldlinien aus – genau wie eine leblose Kompassnadel aus Metall.

Nur so kann man sich vorstellen, dass die Sedimente, wenn sie sich ablagern, nach dem Magnetfeld ausgerichtet sind.

Äquator
Am Äquator funktioniert das nicht, aber in flachen Uferzonen, weil dort die Magnetfeldlinien reinlaufen.

So entstehen die Magnetkristalle im Bakterium:
1. Eisenaufnahme: Das Bakterium pumpt gelöste Eisen-Ionen aus dem umgebenden Schlamm aktiv in sein Inneres.
2. Mini-Fabriken: Im Inneren transportiert es das Eisen in winzige Membranbläschen (Magnetosomen).
3. Präzise Kristallisation: Dort lässt das Bakterium das Eisen kontrolliert zu perfektem Magnetit (Fe₃O₄) heranwachsen – genau in der Größe, die die stärkste Magnetkraft erzeugt.
4. Die Kette: Spezielle Gerüstproteine reihen diese Magnetbläschen wie Perlen auf einer Schnur entlang der Längsachse des Bakteriums auf.
Erst durch diese gerade Kette addiert sich die Magnetkraft zu einer stabilen, funktionierenden Kompassnadel.

"nord-suchend" ist irreführend
Der Begriff ,,nord-suchend" (engl. north-seeking) existiert zwar historisch in älterer Fachliteratur, weil man dachte, sie orientieren sich stur nach Norden – er ist aber irreführend und mechanisch ungenau, wie wir zuvor schon richtig festgestellt haben. Sie sind einfach so magnetisiert, dass sie sich parallel zu den Feldlinien ausrichten, und schwimmen dann rein funktionell abwärts (in Richtung Erde), weil sie zuvor im sauerstoffreichen Oberflächenwasser waren und dann Richtung sauerstoffärmeren Schlamm schwimmen.

Strategisch denken: 
Wer noch beim Begriff Taktisch und Taxis durcheinanderkommt:
• Magnetotaxis (Nomen / Hauptwort): Das ist der Name des Vorgangs oder des Phänomens an sich (die biologische Eigenschaft).
    • Beispiel: ,,Die Magnetotaxis hilft den Bakterien bei der Suche nach Sauerstoff."
• Magnetotaktisch (Adjektiv / Eigenschaftswort): Das beschreibt, wie das Bakterium ist oder wie es sich verhält.
    • Beispiel: ,,Es handelt sich um ein magnetotaktisches Bakterium."


Medizin
Dann hätten wir noch die Anwendung in der Medizin.
Der Plot ist der:
Magnetotaktische Bakterien werden durch ein Magnetfeld in Richtung Tumorzentrum gesteuert. Das Magnetfeld wird neutralisiert. Die Bakterien schalten auf anaerobe Suche um. Bohren sich in das Tumorgewebe, welches anaerob ist. Dann wird das Magnetfeld auf Hochfrequenz umgeschaltet. Durch die schnelle Bewegung der Magnete wird Energie und damit Hitze ins Gewebe eingebracht und das Schadgewebe zerstört.
Das wäre mal eine sinnvolle Drohnenforschung.


Liebe Grüße
Rudolf