Molekulare Mechanismen der bakteriellen Magneto-Aerotaxis

• Antragsteller: Dr. Daniel Pfeiffer
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525457187

Magnetotaktische Bakterien (MTB) besitzen die faszinierende Fähigkeit zur Navigation innerhalb des Erdmagnetfelds. Eine magnetische Ausrichtung der Zellen erfolgt mit Hilfe sogenannter Magnetosomen, intrazellulärer kettenförmig angeordneter Membran-umhüllter Partikel eines magnetischen Eisenminerals. Die Navigation innerhalb des Erdmagnetfelds erleichtert vermutlich das Auffinden des bevorzugten Habitats, die oxisch-anoxische Übergangsschicht in aquatischen Sedimenten. Hierbei schwimmen die Bakterien, aktiv angetrieben durch Flagellen, entlang der Feldlinien und ändern ihre Richtung in Abhängigkeit von Sauerstoff- bzw. Redoxgradienten (Magneto-Aerotaxis). Im Gegensatz zur Chemotaxis in gut untersuchten Modellbakterien wie z.B. Escherichia coli sind die den beobachteten Bewegungsmustern zugrundeliegenden molekularen Mechanismen in MTB jedoch weitestgehend unverstanden und unterliegen vermutlich der Kontrolle von Signaltransduktionssystemen höherer Komplexität. Insbesondere ist ungeklärt ob und wie die Magnetfeld- und Sauerstoffwahrnehmung in MTB auf molekularer Ebene mit der Rotation der Flagellenmotoren verschalten ist. Um die molekularen Zusammenhänge der Magneto-Aerotaxis besser zu verstehen habe ich in Vorarbeiten ein System zur Beobachtung fluoreszenzmarkierter Flagellen anhand des genetisch zugänglichen polar begeißelten Bakteriums Magnetospirillum gryphiswaldense etabliert. Mit Hilfe dieser Methode soll nun die Verschaltung des Systems zur Reizerkennung zu den Flagellenmotoren in M. gryphiswaldense ermittelt werden - eine Fragestellung, die bislang auch in anderen bipolar begeißelten Spirillen nicht eindeutig geklärt ist und für welche verschiedene Modelle postuliert wurden (wie die gegenläufige, gleichgerichtete oder abwechselnde Rotation gegenüberliegender Flagellenmotoren). Zudem soll untersucht werden inwieweit Umgebungsparameter (wie der Sauerstoffgradient, das Magnetfeld oder die Struktur der Umgebung) einen Einfluss auf die Assemblierung und Koordination der Flagellen sowie eine gerichtete Schwimmbewegung im Magnetfeld haben (sogenannte nord- bzw. südsuchende Magneto-Aerotaxis). Zusammengefasst werden diese Studien neue grundsätzliche Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen der Magneto-Aerotaxis liefern, welche auch für ein erweitertes generelles Verständnis komplexer bakterieller Signaltransduktionssysteme sowie der Koordination und Assemblierung des Flagellenapparates in nicht magnetotaktischen polar begeißelten Bakterien von grundlegender Relevanz sind (darunter viele klinisch relevante pathogene Vertreter). Erwartet werden zudem neuartige Erkenntnisse in Bezug auf Aspekte der Populationsheterogenität und den selektiven Vorteil verschiedener Schwimmmuster in komplexen Umgebungen. Ein tiefgreifendes Verständnis der Magneto-Aerotaxis ist weiterführend für die zielgerichtete Steuerung von MTB und in der Mikrorobotik von großem Interesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Damien Faivre