MagMorphogens: Identifizierung und Funktionsanalyse formgebender Determinanten der bakteriellen Magnetit-Biomineralisation

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Schüler
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564152354

Verschiedene magnetotaktische Bakterien biomineralisieren sogenannte Magnetosomen mit unterschiedlichen, genetisch kodierten Morphologien, wie z. B. elongierte oder projektilförmige Magnetitpartikel. Diese Formen weichen deutlich von der bekannten isotropen oktaedrischen Form abiotisch synthetisierter Magnetitkristalle ab. Die Bildung anisotroper Magnetosomen erfordert somit vermutlich einen höheren Grad an biologischer Kontrolle als die Synthese einfacherer kubo-oktaedrischer Partikel, die von den bisher untersuchten Magnetospirillen produziert werden. Man nimmt an, dass für die Biomineralisation morphologisch unterschiedlicher Magnetitkristalle Variationen innerhalb der zahlreichen biosynthetischen Magnetosomengene verantwortlich sind, jedoch sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bisher nicht erforscht, da die meisten Bakterien mit anisotropen Magnetosomen nicht genetisch zugänglich sind. Im beantragten Projekt wird daher ein heterologer Ansatz vorgeschlagen, in dem biosynthetische Magnetosomen-Gencluster von genetisch nicht zugänglichen Donoren im etablierten Modellbakterium Magnetospirillum gryphiswaldense exprimiert werden, das natürlicherweise isotrope kubo-oktaedrische Magnetosomen produziert. Um morphogene Determinanten zu identifizieren und genetisch und biochemisch zu analysieren, sollen Magnetosomen-Gencluster von verschiedenen magnetotaktischen Alphaproteobakterien, die anisotrope Magnetosomen produzieren, durch kürzlich etablierte Technologien assembliert, kloniert und in verschiedene Mutanten von M. gryphiswaldense übertragen werden, die dann auf die Biomineralisation elongierter Kristalle hin untersucht werden. Nach der Identifikation von Kandidaten-Proteinen mit morphogener Aktivität werden diese eingehend hinsichtlich ihrer Lokalisation, Funktion und Interaktion innerhalb der proteo-lipidischen Magnetosomenmembran analysiert, um den biologischen Mechanismus der Morphogenese elongierter Kristalle zu ergründen. Schließlich sollen relevante morphogene Komponenten in einem synthetischen Biologieansatz kombiniert werden, um die Herstellung und Analyse von morphologisch modifizierten Magnetosomenpartikeln zu ermöglichen. Ein Verständnis der anisotropen Kristallmorphogenese könnte für die Entwicklung maßgeschneiderter 'Nanorods' mit bisher unerforschten magnetischen Eigenschaften für verschiedene biomedizinische Anwendungen genutzt werden. Insgesamt wird das beantragte Projekt neue Einblicke in die Zellbiologie und Biomineralisation einer diversen Gruppe von Mikroorganismen ermöglichen und die Grundlage für die zukünftige Erforschung unterschiedlicher Magnetosomen-Biosynthesewege in unkultivierten und genetisch unzugänglichen Bakterien schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen