Diamanten machen Messung bei magnetischen Bakterien möglich

Viele Lebewesen nutzen die Eigenschaften magnetischer Nanokristalle. Manchen Tieren dienen sie zur Navigation, andere härten und schützen damit ihr Gewebe. Viele magnetische Funktionen in Lebewesen sind aber noch schlecht erforscht, da es sehr schwierig ist, ihr Wirken präzise über größere Zellverbände zu messen. Nun ist es einer Kollaboration von Forschern gelungen, ein spezielles Mikroskop zu entwickeln, das gleichzeitig ein normales optisches Bild und ein Abbild des Magnetfeldes liefert. So lassen sich beide Bilder übereinander legen und die biologische Funktion der magnetischen Nanokristalle in allen drei Raumdimensionen studieren, schreiben die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“. Ein besonderer Vorzug ihres Designs ist es, dass das Mikroskop ein weites Sichtfeld besitzt, so dass sie viele Zellen nebeneinander im Gewebe betrachten können.

Vier Bilder von den Bakterien unter dem Mikroskop, jeweils zwei in schwarz-weiß und zwei gelblich-grün eingefärbt. In c und d sind weniger Bakterien in näherer Aufnahme zu sehen.
Magnetische Bakterien

„Heutige Magnetfeldmikroskope haben entweder eine schlechte Auflösung und eignen sich deshalb nicht zur Abbildung subzellulärer Strukturen; oder sie arbeiten unter Bedingungen, die die Erforschung lebender Zellen unmöglich machen“, berichtet David Le Sage vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Die bekannten Techniken bedienen sich entweder intensiver Elektronenstrahlung oder tiefer Temperaturen, wodurch lebende Zellen schnell absterben. Mit ihrem neuen Design jedoch können die Forscher ins Innere lebender Zellen schauen. Sie untersuchten magnetotaktische Bakterien, die sogenannte Magnetosome besitzen. Dies sind membranumgebene Nanokristalle aus einer Eisenverbindung mit Schwefel- oder Sauerstoffanteilen. Aufgrund ihrer magnetischen Anziehung verknüpfen sich die Magnetosome in einer Zelle zu Ketten und reagieren auf das Erdmagnetfeld, wodurch die Bakterien sich an ihm orientieren können.

Möglich wurde die Innovation dank besonders empfindlicher Magnetfeldsensoren auf dünnen Diamantplättchen. Diese Diamanten sind speziell präpariert: Knapp unter ihrer Oberfläche sind zwei Kohlenstoffatome durch ein Stickstoffatom ersetzt. Dadurch entsteht eine Fehlstelle im Kristallgitter des Diamanten. Diese Kombination aus Stickstoffatom und Fehlstelle reagiert extrem empfindlich auf Magnetfelder und eignet sich deshalb hervorragend für mikroskopische Messungen.

Die Forscher untersuchten sowohl lebende Bakterien der Art Magnetospirillum magneticum in einer Lösung als auch tote Bakterien, die eingetrocknet direkt auf dem Diamantsensor lagen. Die höchste Auflösung von 400 Nanometern konnten sie aber nur bei den toten Bakterien erzielen, da hier der Abstand zum Sensor geringer war. Die Forscher hoffen, mit ihrem Mikroskop auch magnetische Strukturen im Gewebe komplexerer Organismen untersuchen zu können. Hierzu gehören nicht nur Insekten und Vögel, sondern auch Säugetiere wie der Mensch.