BMBF-Projekt MagBiofab

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Nano-Magnete aus der mikrobiellen Biofabrik

Magnetotaktische Bakterien bilden einzigartige intrazelluläre Organellen, die sogenannten Magnetosomen, die aus membranumhüllten Kristallen eines magnetischen Eisenoxids bestehen.

Magnetosomen dienen der Bakterienzelle als Magnetfeldsensor. Sie stellen jedoch auch Magnetnanopartikel mit ungewöhnlichen, genetisch kodierten Materialeigenschaften dar. Infolge der präzise regulierten Biosynthese weisen sie eine starke Magnetisierung, hohe Kristallinität sowie einheitliche Form und Größe auf, und sind daher technisch hergestellten Magnetpartikeln in vielen biotechnologischen und biomedizinischen Anwendungen überlegen.

So besteht beispielsweise großes Interesse an isolierten Magnetosomen für den Einsatz als Kontrastmittel in magnetischen Bildgebungsverfahren oder für die Wärmeerzeugung in magnetischen Hyperthermie-Anwendungen. Eine Verwendung der Partikel als magnetische "Theranostika" zur Diagnose und Therapie von Tumoren ist ebenfalls denkbar. Die Lipidhülle der Magnetosomen kann genetisch mit speziellen Biomolekülen wie Fluorophoren, Antikörpern, Enzymen oder Hüllproteinen "dekoriert" werden, wodurch aus den Magnetpartikeln neuartige und vielfältig funktionalisierte nanomagnetische Materialien entstehen.

Die schwierige Anzucht der empfindlichen Magnetbakterien und geringe Ausbeuten bei der Magnetosomenisolierung stellten bisher das größte Hindernis im Hinblick auf die technische Anwendung der Magnetosomen dar. Im Projekt MagBiofab sollen nun die Grundlagen erarbeitet werden für eine nachhaltige industrielle Bioproduktion und Anwendung von bakteriellen Magnetnanopartikeln.

Hierzu ist geplant, das magnetotaktische Bakterium Magnetospirillum gryphiswaldense - Magnetospirillum war Mikrobe des Jahres 2019 - zu einer mikrobiellen Zellfabrik für die Produktion von magnetischen Nanomaterialien zu entwickeln. Durch Entfernung störender Abschnitte aus dem Genom von M. gryphiswaldense und die Einfügung spezieller Genkassetten und Steuerelemente sollen robustere und im Hinblick auf Magnetosomenanzahl "ertragreichere" Stammvarianten entstehen. Gleichzeitig sollen neue Methoden für die Zellanzucht im Fermentermaßstab sowie die Magnetosomen-Gewinnung erprobt und etabliert werden.

Principal Investigators: PD Dr. René Uebe, Prof. Dr. Dirk Schüler