Forschungsbericht 2010 - Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Von der bio- zur anorganischen Mineralisation von Magnetit

Autoren
Faivre, Damien
Abteilungen

Biomaterialien (Prof. Dr. Peter Fratzl)
MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam

Zusammenfassung
Magnetische Nanopartikel sind Schlüsselkomponenten in vielen neuartigen bio- und nanotechnologischen Anwendungen. Diese erfordern einheitliche Partikelgrößen, die durch chemische Prozesse bislang nicht hergestellt werden können. Magnetotaktische Bakterien haben hingegen die Eigenschaft, „perfekte Partikel“ unter physiologischen Bedingungen erschaffen zu können. Die Rolle einzelner biologischer Komponenten bezüglich ihres Einflusses auf die Eigenschaften biologischer Magnete wurde untersucht. Es wurde dabei gezeigt, dass das Protein Mms6 die Partikelgröße in vitro spezifisch kontrollieren kann.

Einführung

Magnetische Nanopartikel sind nicht nur allein für die Grundlagenforschung, sondern auch für die angewandte Forschung von ungeheurem interdisziplinärem Interesse. Sie spielen eine Rolle bei der Suche nach den Ursprüngen von Leben auf der Erde und dem Mars [1] sowie als Schlüsselkomponenten bei der Entwicklung von vielen neuartigen bio- und nanotechnologischen Anwendungen [2]. Gesucht wird nach Methoden des zielgerichteten Wirkstofftransports und für das Magnetresonanzbildverfahren (MRI): Dies sind beides Techniken mit einem hohen Anwendungspotenzial, die zur Verbesserung des Lebensstandards beitragen könnten. Diese Anwendungen erfordern sehr monodisperse Teilchengrößenverteilungen mit möglichst einheitlicher Form, da die Eigenschaften von Nanopartikeln, insbesondere die magnetischen, stark von deren Dimension und Morphologie abhängen [3]. Bislang sind die zugänglichen chemischen Prozesse nicht in der Lage, solche magnetischen Nanopartikel unter umweltfreundlichen Bedingungen herzustellen. Aus diesem Grund wird in der biologischen Welt nach adäquaten Lösungen gesucht. In ihrer vier Milliarden Jahre alten Geschichte hat die Natur außergewöhnliche Lösungen für derartige Probleme gefunden. Darunter gibt es ein wiederkehrendes Merkmal: Die Natur strukturiert Materie bis ins kleinste Detail, d.h. hinunter bis zur kleinsten Einheit, dem Molekül. Wir können von der Natur lernen, indem wir unser Verständnis darüber verbessern, wie natürliche Vorbilder komplexe physiko-chemische und biologische Phänomene beeinflussen, die für die sogenannte „Biomimetik“ relevant sind. Mithilfe dieser Methode möchte man nachhaltige, neuartige funktionale Materialien entwickeln, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden können.

original
Bilder, die unterschiedliche Morphologien von magnetotaktischen Bakterien zeigen (Transmissionselektronenmikroskop).

Bakterielle Magnetosome gehören zu den beeindruckendsten Beispielen natürlicher magnetischer Nanopartikel. Dabei handelt es sich um magnetische Nanokristalle, die, eingebettet in eine Membran, von magnetotaktischen Bakterien produziert werden (Abb. 1) [4]. Magnetotaktische Bakterien sind eine Gruppe von verschiedenen Mikroorganismen, die intrazelluläre magnetische Materialien, genannt Magnetosome, ausbilden. Diese Magnetosomen haben einzigartige Merkmale, wie z.B. deren artenspezifische monodisperse Größe (20 – 120 nm), bakterienstammspezifische, genetisch kontrollierte Formen (von kuboktaedrisch bis hin zu verschiedenen länglichen Morphologien) (Abb. 2) sowie ungewöhnlich definierte magnetische Eigenschaften. Insbesondere zeigen bakterielle magnetische Nanopartikel eine Remanenz und Koerzivität, die auch von anorganisch hergestellten Kristallen nicht übertroffen werden können. Die Eigenschaften resultieren charakteristischerweise aus einem Prozess, der als „biologisch kontrollierte Mineralisation“ (folgend Biomineralisation) bezeichnet wird und wobei der Organismus Nukleation, Wachstum und Organisation der anorganischen Kristalle spezifisch kontrolliert. Diese Kontrolle wird durch eine Anzahl spezifischer magnetosomaler Proteine ausgeführt, die von Genen in einem als „genomische Magnetosomeninsel“ bezeichneten Cluster kodiert werden. Magnetotaktische Bakterien haben das Problem, optimale Lebensbedingungen unter geringem Energieaufwand zu finden, beeindruckend gelöst. Sie synthetisieren Magnetosomketten und schwimmen auf diese Weise entlang der magnetischen Feldlinien. Folglich sind Magnetosome das Ergebnis von hoch effizienten und dennoch komplexen natürlichen Prozessen, die eine ideale Basis für den Einsatz in industriellen Anwendungen bieten könnten [5] – obgleich dies sicherlich kein leichtes Unterfangen ist. Sobald diese Prozesse vollständig verstanden sind, könnten sie kopiert werden, um neuartige Materialien zu entwickeln. Künftige Einsatzmöglichkeiten sind dort, wo ein hohes Maß an uniformen, nanometergroßen Partikeln mit magnetischen Eigenschaften nötig ist. Die Forschung versucht beides: Zum einen zu verstehen, wie diese ursprünglichen Organismen ihre magnetischen Einschlüsse mit kontrollierten und definierten Eigenschaften synthetisieren und zum anderen einfachere Wege zu finden, um diese auf synthetischem Wege nachzuahmen.

original
Bilder, die unterschiedliche Morphologien und Größen von Magnetosomen des „Wildtyps“ magnetotaktischer Bakterien zeigen (Transmissionselektronenmikroskop).

Kontrolle der Eigenschaften von Nanomagneten

Es existieren zwei verschiedene Ansätze, um die Rolle einzelner biologischer Komponenten bei der Synthese von Magnetosomen und der Kontrolle ihrer Eigenschaften zu untersuchen. Mithilfe der Molekularbiologie lassen sich Deletionsmutanten erzeugen. Dabei handelt es sich um Bakterien, deren Genom mit dem des Wildtyps bis auf ein Zielgen, welches nicht mehr exprimiert wird, übereinstimmt. Auf diese Weise lässt sich der entsprechende Phänotyp studieren: Die Eigenschaften der Mutante, die unterschiedlich zu denen des Wildtyps sind, werden untersucht. Typischerweise differenziert man in folgende Kategorien: Bildet die Mutante magnetische Partikel oder nicht, sind die Partikel von ähnlicher Größe und/oder Morphologie etc… Diese in vivo Technik kann extrem leistungsstark sein. Da aber magnetotaktische Bakterien sehr langsam wachsen, ist dieser Prozess ebenfalls sehr langwierig. Ein weiterer Weg, der vor allem von Chemikern favorisiert wird, ist die rekombinante Expression identifizierter Proteine und die Untersuchung ihrer Effekte in vitro.

Ein kritischer Punkt ist dabei, das richtige Protein oder irgendeine andere biologische Komponente auszuwählen. Bioinformatik-Software ermöglicht die Suche nach Gemeinsamkeiten zwischen Genen von verschiedenen Organismen. So wird das Screening potenziell wichtiger Komponenten erheblich erleichtert. Proteine oder gewisse hydrophile Fragmente werden überexprimiert und gereinigt, bevor sie für die Synthese genutzt werden können. Das dafür typische Verfahren ist in Abbildung 3 dargestellt.

original
Schematische Darstellung des Verfahrens, bei der die Proteine überexprimiert und gereinigt werden, bevor sie für die Synthese genutzt werden können.

Auf diese Weise wurde das Protein Mms6 untersucht, um Effekte von Magnetosommembranproteinen auf die Kristallisierung von Magnetit in vitro untersuchen zu können [6]. Dabei konnte die Rolle des Proteins bei der Regulierung der Kristallgröße gezeigt werden. Auch das C-terminale Peptid des Mms6-Proteins, welches 25 Aminosäuren enthält, zeigt einen ähnlichen Effekt auf die Größe der Ferritpartikel [7]. Bislang konnte nur ein Protein identifiziert werden, das in begrenztem Umfang die Größe der Partikel beeinflussen kann. Ein Effekt einer biologischen Komponente auf die Morphologie der Partikel konnte noch nicht nachgewiesen werden. Die Tatsache, dass Peptide für die Synthese benutzt werden können, ist von grundlegender Bedeutung, da die Produktion von rekombinanten Proteinen limitiert ist. Synthetische Peptide sind dagegen in praktisch unbegrenzter Menge zugänglich.

Bislang konnten mehr als 20 Proteinkandidaten in der Magnetosommembran von M. gryphiswaldense identifiziert werden [8], von denen man annimmt, dass sie besondere Effekte auf die Größe und Morphologie von Magnetitkristallen haben. Die optimierte Überexpression von Proteinen magnetotaktischer Bakterien wird zurzeit untersucht. Die potenziellen Kandidaten zeigen Aktivität bei der Kristallisation von Magnetit, wie z.B. die bereits genannten Mms6 und MamL. MamL ist ein Protein mit einem C-Terminus reich an Lysin und Arginin (K, R). Es wurde gezeigt, dass kurze basische Peptide in der Lage sind verschiedene Metalloxide zu binden [9], was auf eine ähnliche Wechselwirkung des C-Terminals von MamL mit den Magnetosomen hinweist. Schließlich kann die Funktion von Proteinen mit Sequenzmotiven ähnlich zu denen von Mms6 wie bei MamD, MamG, MamS untersucht werden. Darüber hinaus können andere biologische Determinanten in Frage kommen, bei denen man annimmt, dass sie die in vivo Synthese von Magnetitkristallen entscheidend beeinflussen.

Zusammenfassung und Ausblick

Obwohl die Kontrolle der Synthese von Nanopartikeln über die letzten Jahre stetig verbessert und weiterentwickelt wurde, gibt es immer noch eine fundamentale Lücke im Bereich von synthetischen Konzepten, die direkt darauf angewendet werden können. Das betrifft im Speziellen magnetische Nanokristalle, bei denen die Größe ganz entscheidend ist für deren Eigenschaften. Magnetotaktische Bakterien haben diese komplizierte Fragestellung auf ihre Weise gelöst: Sie sind in der Lage perfekte Partikel, Magnetosome genannt, unter physiologischen Bedingungen auszuformen. Um zu verstehen, wie diese außergewöhnliche Leistung in der Natur vollbracht wird, haben Materialwissenschaftler die Aufgabe neue Wege zu beschreiten, an deren Ende hoch funktionale magnetische Materialien für zukunftsweisende Anwendungen stehen.

Originalveröffentlichungen

1.
D. Faivre, P. Zuddas:
An integrated approach for determining the origin of magnetite nanoparticles.
Earth and Planetary Science Letters 243 (1-2), 53-60 (2006).
2.
S. Laurent, D. Forge, M. Port, A. Roch, C. Robic, L. Vander Elst, R. N. Muller:
Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Vectorization, Physicochemical Characterizations, and Biological Applications.
Chemical Reviews 108 (6), 2064-2110 (2008).
3.
R. M. Cornell, U. Schwertmann:
The iron oxides (Structure, properties, reactions, occurrences and uses).
Wiley-VCH, Weinheim 2003, 664 p.
4.
D. Faivre, D. Schüler:
Magnetotactic Bacteria and Magnetosomes.
Chemical Reviews 108 (11), 4875-4898 (2008).
5.
C. Lang, D. Schüler, D. Faivre:
Synthesis of Magnetite Nanoparticles for Bio- and Nanotechnology: Genetic Engineering and Biomimetics of Bacterial Magnetosomes.
Macromolecular Bioscience 7 (2), 144-151 (2007).
6.
A. Arakaki, J. Webbs, T. Matsunaga:
A Novel Protein Tightly Bound to Bacterial Magnetite particles in Magnetospirillum magnetotacticum Strain AMB-1.
Journal of Biological Chemistry 278 (10), 8745-8750 (2003).
7.
T. Prozorov, P. Palo, L. Wang, M. Nilsen-Hamilton, D. Jones, D. Orr, S. K. Mallapragada, B. Narasimhan, P. C. Canfield, R. Prozorov:
Cobalt ferrite nanocrystals: Out-performing magnetotactic bacteria.
ACS Nano 1 (3), 228-233 (2007).
8.
C. Jogler, D. Schüler:
Genomics, Genetics, and Cell Biology of Magnetosome Formation.
Annual Review of Microbiology 63, 501-521 (2009).
9.
M. Sarikaya, C. Tamerler, D. T. Schwartz, F. Baneyx:
Materials assembly and formation using engineered polypeptides.
Annual Review of Materials Research 34, 373-408 (2004).
Zur Redakteursansicht