Mikroevolutionäre Anpassungen magnetotaktischer Bakterien an Polaritätsänderungen des Erdmagnetfelds

• Antragsteller: Dr. Daniel Pfeiffer
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521548282

Die Leben auf der Erde hat sich in Gegenwart des Erdmagnetfelds entwickelt. Obwohl es als gesichert gilt, dass viele Lebewesen das Erdmagnetfeld zur Navigation nutzen, ist es bisher völlig unbekannt, wie sie sich an Umkehrungen des magnetischen Dipols anpassen können, und wie diese Änderungen evolutionäre Prozesse beeinflussen. Die ältesten, einfachsten und zugleich bestuntersuchten magnet-sensitiven Organismen sind magnetotaktische Bakterien (MTB). Diese sind auch die einzigen Lebewesen, deren Magnetsensor in Form hochgeordneter intrazellulärer Ketten aus magnetischen Kristallen, den Magnetosomen, eindeutig identifiziert werden konnte. Diese einzigartigen Organellen richten die Schwimmbewegung von MTB entlang der geomagnetischen Feldlinien aus und unterstützen so die Navigation der Bakterien in chemisch stratifizierten Sedimenten in Richtung der von ihnen bevorzugten suboxischen Habitate. Man nimmt an, dass bakterielle Magnetosomen als Magnetfossilien erhalten bleiben können. Unbekannt sind jedoch ihr Schicksal nach Freisetzung aus den Zellen, der Einfluss von Prädation durch andere Lebewesen sowie die geochemischen Bedingungen, die die Konservierung von Magnetosomen begünstigen. Wir werden unter Labor-Bedingungen die Anpassung von MTB an simulierte Umpolungen des Erdmagnetfelds untersuchen. Mit dem Modellorganismus Magnetospirillum gryphiswaldense soll ein Mikroevolutionsexperiment durchgeführt werden, in dem die Bakterien über mehrere Generationen hinweg in vertikalen Redoxgradienten sowie definierten Magnetfeldern variabler Stärke und Richtung kultiviert werden. Mutanten mit veränderter Magnetotaxis und Schwimmpolarität sowie möglicherweise auch modifizierter Magnetosomen-Biosynthese sollen mittels Genomsequenzierung, Mutagenese sowie durch mikroskopische und biophysikalische Methoden umfassend charakterisiert werden. Zum Vergleich sollen weiterhin verschiedene bereits vorhandene Mutanten untersucht werden, deren zellulärer magnetischer Sensor eine unterschiedliche Stärke und Konfiguration aufweist, oder die in ihrem chemosensorischen System beeinträchtigt sind und somit potenzielle evolutionäre Anpassungen simulieren. Weiterhin soll in verschiedenen Kooperationen innerhalb des SPP DeepDyn anhand von Mutanten und unmodifizierten Zellen von M. gryphiswaldense sowohl die Fossilierung von Magnetosomen als auch der Einfluss von Prädation und nachfolgender Auflösung von Magnetosomen durch bakteriovore Protozoen im Labormaßstab experimentell untersucht werden. Die erwarteten Resultate werden nicht nur die adaptive Funktion der Magnetotaxis im Erdmagnetfeld, sondern auch die evolutionäre Anpassung von MTB an Änderungen des Felds im Verlauf der Erdgeschichte erhellen, sowie dazu beitragen, die Fossilierung von Magnetosomen mit dem Verlauf der geomagnetischen Feldänderungen besser zu korrelieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2404: Rekonstruktion der Dynamik des tiefen Erdinnern über geologische Zeiträume (DeepDyn)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Dirk Schüler