22 WISSENSCHAFT DIRK SCHÜLER, RENÉ UEBE LEHRSTUHL FÜR MIKROBIOLOGIE, UNIVERSITÄT BAYREUTH Alphaproteobacteria of the genus Magnetospirillum use dedicated organelles, the magnetosomes, to navigate along geomagnetic field lines in their natural environment. Magnetosomes are nanocrystals of mag- netite (Fe 3 O 4 ) which are biomineralized within specific membrane vesi- cles and become aligned into chains by a dedicated cytoskeleton. This article also highlights the potential for functionalization and application of these bacterial magnetic nanoparticles. DOI: 10.1007/s12268-019-0997-y © Springer-Verlag 2019 ó Mithilfe von Sensorproteinen können vie- le Bakterien chemische Gradienten erkennen und gezielt in Richtung von Nährstoffquellen schwimmen – oder auch vor Schadstoffen flüchten. Neben dieser Chemotaxis können sich einige Mikroorganismen im Erdmagnet- feld orientieren. Das bekannteste dieser mag- netotaktischen Bakterien ist Magnetospiril- lum, die diesjährige Mikrobe des Jahres, die weltweit im Schlamm vieler Gewässer lebt. Der bestuntersuchte Vertreter dieser Gattung, M. gryphiswaldense, verdankt seinen Namen neben seinen magnetischen Eigenschaften der spiraligen Zellform sowie seiner Herkunft nahe der Stadt Greifswald [1]. Wie alle Mag- netospirillen besitzt M. gryphiswaldense im Zellinneren besondere Organellen, die Mag- netosomen, die aus membranumhüllten, etwa 45 Nanometer großen Nanokristallen des magnetischen Eisenoxids Magnetit (Fe 3 O 4 ) bestehen (Abb. 1). Viele grundlegende Erkenntnisse zur Biosynthese und Funktion der Magnetosomen wurden an M. gryphis- waldense und engen Verwandten gewonnen, da diese im Unterschied zu den meisten ande- ren Magnetbakterien im Labor kultivierbar und genetisch manipulierbar sind. Aus die- sem Grund dient Magnetospirillum mittler- weile auch als wichtiger Modellorganismus für die Biogenese prokaryotischer Organel- len sowie der Biomineralisation von Eisen- mineralen. Magnetosomenbildung: genetisch komplex, vom Cytoskelett organisiert Die Bildung von Magnetosomen hat sich als unerwartet komplexer und exakt gesteuerter Prozess erwiesen, an dem eine Vielzahl von Genfunktionen sowie spezifische zelluläre Strukturen beteiligt sind [2]. Die Biosynthe- se geht zunächst einher mit der Bildung von Vesikeln, die aus der inneren Membran der Bakterien abgeschnürt werden und als „Nano- reaktor“ für die kontrollierte Biomineralisa- tion von strukturell perfekten, monokristal- Magnetospirillum – Mikrobe des Jahres 2019 Nanokristalle für die Magnetfeldorien- tierung – Biogenese von Magnetosomen BIOspektrum | 01.19 | 25. Jahrgang ˘ Abb. 1: Zellform, Ultrastruktur und Modell der Magneto- somenbildung in Magnetospirillum. A, B, Raster- und trans- missionselektronenmi- kroskopische Aufnah- men von M. gryphis- waldense-Zellen. C, Kryo-Elektronentomo- gramm einer sich tei- lenden Zelle (Aufnah- men D, vereinfachtes Modell der Magnetoso- menbiosynthese. Aus der Zellemembran wer- den Magnetosomenve- sikel abgeschnürt, in die durch Transport- proteine Eisen aus der Umgebung über das Cytoplasma aufgenom- men wird. Redoxaktive Proteine steuern im Inneren das Verhältnis von Fe 2+ zu Fe 3+ , das für die Biomineralisa- tion von Magnetit erforderlich ist. Reife Magnetosomenpartikel werden schließlich durch das „Magneto- skelett“ exakt in der Zellmitte in Ketten von 15–25 Partikeln ange- ordnet. A: Frank Mül- ler, Universität Bay- reuth; C: Mauricio Toro-Nahuelpan, Uni- versität Bayreuth, Jür- gen M. Plitzko, MPI Martinsried. A B C D