Magnetische Bakterien können ihre Bewegung dank Ketten magnetischer Nanopartikel in ihren Zellen an das Magnetfeld der Erde anpassen. Die Baupläne für die Herstellung und Verknüpfung dieser Magnetosomen sind in den Genen der Bakterien gespeichert.
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Professoren Dr. Dirk Schüler und Dr. René Uebe von der Universität Bayreuth hat nun erstmals einen Cluster solcher Gene in nicht-magnetischen Bakterien entdeckt. Diese Gene sind inaktiv, aber funktionsfähig und gelangten wahrscheinlich durch horizontalen Gentransfer in die Bakterien. Die Forschungsergebnisse wurden in vorgestellt Das ISME-Journal.
Die Genübertragung von einem Organismus auf einen anderen wird als „horizontal“ bezeichnet, wenn es sich nicht um eine „vertikale“ Vererbung als Teil eines Fortpflanzungsprozesses handelt. Im Bereich der Bakterien ist die horizontale Übertragung genetischer Informationen eine wichtige Quelle für die Veränderung bestehender Arten oder die Entstehung neuer Arten. Die zahlreichen Gene, die die Fähigkeit steuern, Magnetosomen zu synthetisieren, können auch auf natürliche Weise horizontal auf andere Bakterien übertragen werden.
Bisher wurden diese Gene jedoch nur in Bakterien gefunden, die aufgrund eines vorangegangenen erfolgreichen Gentransfers bereits Magnetosomen produzieren. Doch jetzt haben die Bayreuther Mikrobiologen zusammen mit ihren Forschungspartnern in Ungarn und Frankreich erstmals einen Cluster solcher Gene im Genom eines nichtmagnetischen Bakteriums entdeckt.
Es ist Rhodovastum atsumiense, das als photosynthetisches Bakterium eingestuft wird, da es die Energie des Sonnenlichts für seinen Stoffwechsel nutzen kann. Die in dieser Bakterienart entdeckten Magnetosomen-Gene sind inaktiv: Die Zellen konnten im Labor auch unter verschiedenen Kulturbedingungen nicht zur Bildung von Magnetosomen angeregt werden. Bisher sind keine photosynthetischen Bakterien bekannt, die von Natur aus magnetisch sind, obwohl es dem Team um Prof. Dr. Schüler bereits gelungen ist, solche Bakterien durch künstlichen Gentransfer zu „magnetisieren“.
„Unserem Wissen nach ist dies der erste Nachweis eines vollständigen Satzes von ‚stillen‘ Genen in einem nichtmagnetischen Bakterium. Dies ist wahrscheinlich ein evolutionäres Frühstadium nach dem Erwerb der Gene von einem anderen, noch unbekannten Bakterium. Weitere Genomanalysen ergaben dass der übertragene Gencluster höchstwahrscheinlich von einem magnetischen Bakterium stammt, das zur Klasse Alphaproteobacteria gehört.“
„Zukünftige Studien werden zeigen, ob diese Gene in der natürlichen Umgebung der Bakterien aktiviert werden können. Jedenfalls findet unter Laborbedingungen keine Aktivierung statt, wie unsere Ergebnisse eindeutig zeigen. Daher weist das Vorhandensein von Magnetosom-Genen allein nicht darauf hin, dass Magnetosom vorhanden ist.“ Biosynthese findet tatsächlich statt, daher ist bei der Interpretation entsprechender genomischer Daten aus öffentlichen Datenbanken Vorsicht geboten“, sagt Prof. Dr. Dirk Schüler, Inhaber des Lehrstuhls für Mikrobiologie an der Universität Bayreuth.
Die Forscher gingen auch der Frage nach, warum das Wirtsbakterium Rhodovastum atsumiense die Magnetosomen-Gene nicht eliminiert hat, obwohl es daraus während der Evolution keinen Selektionsvorteil gezogen hat.
„Am besten können wir das anhand unserer Genomanalysen so erklären: Der Gentransfer fand wahrscheinlich in einem jüngeren Stadium der Evolution statt. Eine schnelle Eliminierung war nicht nötig, weil die Magnetosomen-Gene keine schädigende Wirkung auf das Wirtsbakterium haben“, erklärt er die Erstautorin Dr. Marina Dziuba, langjährige wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe Mikrobiologie der Universität Bayreuth.
Die neuen Forschungsergebnisse folgen einer vor zwei Jahren veröffentlichten Studie. Dabei ist es den Bayreuther Mikrobiologen gelungen, den kompletten Satz von Magnetosomen-Genen aus dem Magnetbakterium Magnetospirillum gryphiswaldense, das sich seit langem als Modellorganismus in der Forschung etabliert hat, in das Genom eines nicht-magnetischen Bakteriums einzubringen. Kurz darauf begannen diese Wirtsbakterien mit der Biosynthese von Magnetosomen. Sie waren offenbar in der Lage, die erworbenen fremden Gene zu exprimieren.
Mehr Informationen:
MV Dziuba et al, Stille Gencluster codieren die magnetische Organellenbiosynthese in einem nicht-magnetotaktischen phototrophen Bakterium, Das ISME-Journal (2022). DOI: 10.1038/s41396-022-01348-y
Marina V. Dziuba et al, Single‐step transfer of biosynthetic operons verleiht einem nichtmagnetotaktischen Magnetospirillum‐Stamm aus Feuchtgebieten Magnetosom‐Biosynthese, Umweltmikrobiologie (2020). DOI: 10.1111/1462-2920.14950