Magnetosom

Als Magnetosom bezeichnet man ein magnetisches Partikel in den Zellen von Lebewesen. Dieses Zellorganell bildet eine Basis für die Orientierung in Magnetfeldern, speziell im Magnetfeld der Erde, und folglich auch für den Magnetsinn von einigen Bakterien- und Tierarten.

Magnetospirillum gryphiswaldense-Zellen, die Ketten aus intrazellulären Magnetitkristallen enthalten (oben).
Von M. gryphiswaldense gebildete Magnetitkristalle (unten).
(Elektronenmikroskopische Aufnahmen)

Magnetosomen bestehen aus Kristallen von Magnetit (Fe₃O₄) oder Greigit (Fe₃S₄), die durch Biomineralisation entstehen. Sie haben einen Durchmesser von 40–90 nm und sind von einer Monolage aus Phospholipiden, Proteinen und Glykoproteinen umgeben. Diese einfache Hüllstruktur unterscheidet sich von der sogenannten Biomembran, der eine Doppellipidschicht zugrunde liegt.

Die Gestalt der Magnetosomen variiert zwischen biologischen Arten stark. Sie kann würfel- bis quaderförmig und auch nagel- oder tropfenförmig sein. Je Zelle sind mehrere Magnetosomen enthalten, die darin Ketten bilden.

Vorkommen

Magnetosomen finden sich sowohl bei prokaryotischen als auch bei eukaryotischen Organismen. Beispiele für Prokaryoten sind die Bakterien Magnetospirillum gryphiswaldense und Magnetospirillum magnetotacticum.[1] Jeder winzige Kristall im Magnetosom ist ein schwacher Dauermagnet, der alleine die Zelle nicht auszurichten vermag. Deswegen reiht das Zytoskelett 15 bis 30 Partikel linear in der Zellmitte an. Das Zytoskelett besorgt auch die Gleichverteilung und den Transport bei der Zellteilung.[2]

Beispiele für Magnetosomen in Eukaryoten finden sich bei Algen der Gattung Anisonema.[3] Auch bei anderen Eukaryoten wurden magnetische Partikel in Zellen bzw. Geweben im Zusammenhang mit Magnetotaxis/Magnetorezeption nachgewiesen, wie z. B. bei Termiten,[4] Honigbienen (Apis mellifera)[5] Schmetterlingen, Forellen, Lachsen (Gattung Oncorhynchus),[6][7] Aalen, Delfinen, Zugvögeln,[8] Brieftauben.[9] Doch bei diesen Organismen ist das Vorhandensein von Magnetosomen nach obiger Definition, d. h. als strukturierte membranbegrenzte Zellkompartimente, nicht gesichert.[10]

Allerdings ist der Ausdruck Magnetosom z. B. für die Magnetorgane der Lachse vorgeschlagen worden.[6]

Genetik

Magnetosomen sind komplexe Organelle, für deren Biosynthese und Organisation mehr als 30 Gene zuständig sind. Diese sind im Genom von M. gryphiswaldense in einer „Magnetosomeninsel“ angeordnet. Durch gentechnische Vervielfachung der Gengruppe gelang es, einen Überschuss an Magnetosomen auszulösen.[11]

Literatur

R. Blakemore: Magnetotactic bacteria. In: Science. Band 190, Nr. 4212, S. 377–379, 24. Oktober 1975.
D.L. Balkwill, D. Maratea, R.P. Blakemore: Ultrastructure of a Magnetotactic Spirillum. (PDF; 3,1 MB). In: Journal Of Bacteriology. Band 141, Nr. 3, März 1980, S. 1399–1408.
J. L. Kirschvink, A. Kobayashi-Kirschvink, B. J. Woodford: Magnetite biomineralization in the human brain. In: PNAS. Band 89, 1992, S. 7683–7687
Deutsche Übersetzung veröffentlicht in Blick durch die Wissenschaft am 6. Oktober 1992

Einzelnachweise

Magnetospirillum ist die Mikrobe des Jahres 2019.
Dirk Schüler, René Uebe: Nanokristalle für die Magnetfeldorientierung: Biogenese von Magnetosomen. In: BIOspektrum. 25, 2019: 22–25.
F.F. Torres De Araujo, M.A. Pires, R.B. Fraenkel, C.E.M. Bicudo: Magnetite and Magnetotaxis in Algae. In: Biophys. J. Band 50, 1986, S. 375–378, doi:10.1016/S0006-3495(86)83471-3.
Barbara A. Maher: Magnetite biomineralization in termites. In: Proceedings of the Royal Society, Biological Sciences. Vol. 265(1397), S. 733–773, 22. April 1998 PMC 1689035 (freier Volltext)
Deborah A. Kuterbach, Benjamin Walcott: Iron Containing Cells in the Honey-Bee (Apis mellifera) (PDF; 3,1 MB). In: J. exp. Bio. 126, 1986, S. 375–387.
S. Mann, N. H. C. Sparks, M. M. Walker, J. L. Kirschvink: Ultrastructure, morphology, and organization of biogenic magnetite from sockeye salmon, Oncorhynchus nerka: implications for magnetoreception. (PDF; 5,6 MB). In: J. exp. Bio. 140, 1988, S. 35–49.
J. L. Kirschvink, M. M. Walker, S.-B.Chang, A. E. Dizon, K. A. Peterson: Chains of single-domain magnetite particles in the chinook salmon, Oncorhynchus tshawytscha. In: J. comp. Physiol. 157, 1985, S. 375–38.
Robert C. Beason: Mechanisms of magnetic orientation in birds. (PDF; 120 kB). In: Integr. Comp. Biol. 45, 2005, S. 565–573.
C. Walcott, J. L. Gould J. L. Kirschvink: Pigeons have magnets. In: Science. Band 205, 1979, S. 1027–1031.
Gregory C Nordmann, Tobias Hochstoeger, David A Keays: Magnetoreception: A sense without a receptor. In: PloS Biol. 15,10, 2017, S. e2003234, PMC 5695626 (freier Volltext)
Anna Lohße, Isabel Kolinko, Oliver Raschdorf, René Uebe, Sarah Borg, Andreas Brachmann, Jürgen M Plitzko, Rolf Müller, Youming Zhang, Dirk Schüler: Overproduction of magnetosomes by genomic amplification of biosynthesis-related gene clusters in a magnetotactic bacterium. In: Appl Environ Microbiol. 82, 10, 2016, S. 3032–3041, PMC 4959066 (freier Volltext)

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[1] Magnetospirillum ist die Mikrobe des Jahres 2019.

[2] Dirk Schüler, René Uebe: Nanokristalle für die Magnetfeldorientierung: Biogenese von Magnetosomen. In: BIOspektrum. 25, 2019: 22–25.

[3] F.F. Torres De Araujo, M.A. Pires, R.B. Fraenkel, C.E.M. Bicudo: Magnetite and Magnetotaxis in Algae. In: Biophys. J. Band 50, 1986, S. 375–378, doi:10.1016/S0006-3495(86)83471-3.

[4] Barbara A. Maher: Magnetite biomineralization in termites. In: Proceedings of the Royal Society, Biological Sciences. Vol. 265(1397), S. 733–773, 22. April 1998 PMC 1689035 (freier Volltext)

[5] Deborah A. Kuterbach, Benjamin Walcott: Iron Containing Cells in the Honey-Bee (Apis mellifera) (PDF; 3,1 MB). In: J. exp. Bio. 126, 1986, S. 375–387.

[oncorhynchus-6] S. Mann, N. H. C. Sparks, M. M. Walker, J. L. Kirschvink: Ultrastructure, morphology, and organization of biogenic magnetite from sockeye salmon, Oncorhynchus nerka: implications for magnetoreception. (PDF; 5,6 MB). In: J. exp. Bio. 140, 1988, S. 35–49.

[7] J. L. Kirschvink, M. M. Walker, S.-B.Chang, A. E. Dizon, K. A. Peterson: Chains of single-domain magnetite particles in the chinook salmon, Oncorhynchus tshawytscha. In: J. comp. Physiol. 157, 1985, S. 375–38.

[8] Robert C. Beason: Mechanisms of magnetic orientation in birds. (PDF; 120 kB). In: Integr. Comp. Biol. 45, 2005, S. 565–573.

[9] C. Walcott, J. L. Gould J. L. Kirschvink: Pigeons have magnets. In: Science. Band 205, 1979, S. 1027–1031.

[10] Gregory C Nordmann, Tobias Hochstoeger, David A Keays: Magnetoreception: A sense without a receptor. In: PloS Biol. 15,10, 2017, S. e2003234, PMC 5695626 (freier Volltext)

[11] Anna Lohße, Isabel Kolinko, Oliver Raschdorf, René Uebe, Sarah Borg, Andreas Brachmann, Jürgen M Plitzko, Rolf Müller, Youming Zhang, Dirk Schüler: Overproduction of magnetosomes by genomic amplification of biosynthesis-related gene clusters in a magnetotactic bacterium. In: Appl Environ Microbiol. 82, 10, 2016, S. 3032–3041, PMC 4959066 (freier Volltext)