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News: Die Kraft der Anziehung

Wenn sich ein Bakterium der Oberfläche eines Minerals nähert, sorgen winzige Kräfte für guten Kontakt - oder verwehren ihn. Doch wie stark die Anziehung oder Abstoßung ist, konnte man bisher nicht erfassen. Mit einem umgebauten Kraftmikroskop ist es Forschern nun erstmals gelungen, diese Wechselwirkungen zu messen. Und dabei sind sie auch einem Protein mit ganz spezifischen Aufgaben auf die Spur gekommen.
Bakterien sind nicht immer frei und ungebunden, im Gegenteil: Sie heften sich an Oberflächen verschiedenster Art wie organisches Material oder Mineralien. Dabei geht es ihnen nicht nur um einen festen Halt. Das Bodenbakterium Shewanella beispielsweise lagert sich an das Eisenoxid Goethit an, wenn ihm der Sauerstoff ausgeht. Denn dann stellt es seinen Stoffwechsel um und überträgt am Ende der Atmungskette seine Elektronen auf das Eisen anstatt auf Sauerstoff.

Steven Lower und seine Kollegen von der Virginia Tech interessierten sich dafür, welche Kräfte zwischen der Bakterienzelle und dem Mineral auftreten. Diese sind jedoch nicht so einfach zu messen: Ein Rasterkraftmikroskop liefert zwar Daten über wechselwirkenden Van-der-Waals-Kräfte im atomaren Maßstab, doch die Untersuchungsobjekte waren um einige Nummern größer – Shewanella ist immerhin gut einen Mikrometer lang.

Also konstruierte Lower ein "biologisches Kraftmikroskop", an dessen Sensor – den Biegebalken – er tatsächlich eine lebende Bakterienzelle befestigten konnte. Wenn die Forscher nun mit der Spitze über das Mineral fuhren, konnten sie die Anziehungskraft zwischen den beiden Objekten erfassen.

Ihren Ergebnissen zufolge scheint das Bakterium den bei Sauerstoffmangel lebensrettenden Oberfläche Goethit regelrecht zu erkennen. Denn unter sauerstofffreien Bedingungen zeigte es eine deutlich ausgeprägtere Affinität zu dessen Oberfläche. Und nicht nur das: "Nach einer genaueren Analyse unserer Daten konnten wir feststellen, dass Shewanella ein bestimmtes Protein herstellt, das ganz spezifisch mit der Oberfläche des Fe-(III)-Minerals wechselwirkt", berichtet Lower. "Dieses Protein scheint ausschließlich dafür gedacht zu sein, die Elektronen von Shewanella auf den Goethit zu übertragen."

Doch die Forscher gingen noch einen Schritt weiter. Treavor Kendall, ein Mitglied der Arbeitsgruppe, tüftelte aus, wie man ein einzelnes Biomolekül an den Biegebalken eines Rasterkraftmikroskopes befestigen kann. Ein schwieriges Unterfangen, schließlich kann man es unter dem Mikroskop noch nicht einmal sehen. Aber die wechselwirkenden Kräfte zeigen sich dafür deutlich. "Wenn man mithilfe des Mikroskops das Biomolekül von dem Mineral wegziehen will, ist das, als ob man auf einen Kaugummi getreten ist und den Schuh nun davon wieder löst. Man zerrt so lange an dem Biomolekül, bis es abschnellt", erklärt er. Und die Wissenschaftler hoffen, dass sie anhand der Streckeigenschaften einzelner Moleküle bestimmen können, um welche Verbindung es sich dabei handelt.

Die Identifizierung solcher Proteine ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie ein Bakterium Elektronen auf ein Mineral überträgt. Und das ist ein ganz entscheidender Schritt. Denn im Fall von Shewanella und Goethit beispielsweise können dabei Eisen-Ionen freigesetzt werden – oder womöglich Schwermetalle, die an dieser Stelle im Kristallgitter sitzen. So wären die Bakterien unter anderem vielleicht geeignet, unter sauerstofffreien Bedingungen belastete Böden zu reinigen. Doch auch die wechselwirkenden Kräfte an sich sind bedeutend. Schließlich bestimmen sie, wie Mikroorganismen sich in ihrer Umwelt bewegen und transportiert werden, aber auch, wie sie sich untereinander annähern, wenn sie zum Beispiel Biofilme bilden.

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