TY  - THES
A1  - Kiani Alibagheri, Bahareh
T1  - On structural properties of magnetosome chains
T1  - Auf strukturellen Eigenschaften von Magnetosomenketten
N2  - Magnetotaktische Bakterien besitzen eine intrazelluläre Struktur, die Magnetosomenkette genannt wird. Magnetosomenketten enthalten Nanopartikel von Eisenkristallen, die von einer Membran umschlossen und entlang eines Zytoskelettfilaments ausgerichtet sind. Dank der Magnetosomenkette ist es magnetotaktischen Bakterien möglich sich in Magnetfeldern auszurichten und entlang magnetischer Feldlinien zu schwimmen. Die ausführliche Untersuchung der strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenkette in magnetotaktischen Bakterien sind von grundlegendem wissenschaftlichen Interesse, weil sie Einblicke in die Anordnung des Zytoskeletts von Bakterien erlauben. In dieser Studie haben wir ein neues theoretisches Modell entwickelt, dass sich dazu eignet, die strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenketten in magnetotaktischen Bakterien zu erforschen.
Zuerst wenden wir uns der Biegesteifigkeit von Magnetosomenketten zu, die von zwei Faktoren beeinflusst wird: Die magnetische Wechselwirkung der Magnetosomenpartikel und der Biegesteifigkeit des Zytoskelettfilaments auf welchem die Magnetosome verankert sind. Unsere Analyse zeigt, dass sich die lineare Konfiguration von Magnetosomenpartikeln ohne die Stabilisierung durch das Zytoskelett zu einer ringörmigen Struktur biegen würde, die kein magnetisches Moment aufweist und daher nicht die Funktion eines Kompass in der zellulären Navigation einnehmen könnte. Wir schlussfolgern, dass das Zytoskelettfilament eine stabilisierende Wirkung auf die lineare Konfiguration hat und eine ringförmige Anordnung verhindert.
Wir untersuchen weiter die Gleichgewichtskonfiguration der Magnetosomenpartikel in einer linearen Kette und in einer geschlossenen ringförmigen Struktur. Dabei beobachteten wir ebenfalls, dass für eine stabile lineare Anordnung eine Bindung an ein Zytoskelettfilament notwendig ist. In einem externen magnetischen Feld wird die Stabilität der Magnetosomenketten durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, über die Steifheit und die Bindungsenergie der Proteinstruktur, die die Partikel des Magnetosomen mit dem Filament verbinden, erreicht. Durch Beobachtungen während und nach der Behandlung einer Magnetosomenkette mit einem externen magnetischen Feld, lässt sich begründen, dass die Stabilisierung von Magnetosomenketten durch Zytoskelettfilamente über proteinhaltige Bindeglieder und die dynamischen Eigenschaften dieser Strukturen realisiert wird.
Abschließend wenden wir unser Modell bei der Untersuchung von ferromagnetischen Resonanz-Spektren von Magnetosomenketten in einzelnen Zellen von magnetotaktischen Bakterien an. Wir erforschen den Effekt der magnetokristallinen Anistropie in ihrer dreifach-Symmetrie, die in ferromagnetischen Ressonanz Spektren beobachtet wurden und die Besonderheit von verschiedenen Spektren, die bei Mutanten dieser Bakterien auftreten.
N2  - Magnetotactic bacteria possess an intracellular structure called the magnetosome chain. Magnetosome chains contain nano−particles of iron crystals enclosed by a membrane and aligned on a cytoskeletal filament. Due to the presence of the magnetosome chains, magnetotactic bacteria are able to orient and swim along the magnetic field lines. A detailed study of structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria has primary scientific interests. It can provide more insight into the formation of the cytoskeleton in bacteria. In this thesis, we develop a new framework to study the structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria.
First, we address the bending stiffness of magnetosome chains resulting from two main contributions: the magnetic interactions of magnetosome particles and the bending stiffness of the cytoskeletal filament to which the magnetosomes are anchored. Our analysis indicates that the linear configuration of magnetosome particles without the stabilisation to the cytoskeleton may close to ring like structures, with no net magnetic moment, which thus can not perform as a compass in cellular navigation. As a result we think that one of the roles of the filament is to stabilize the linear configuration against ring closure.
We then investigate the equilibrium configurations of magnetosome particles including linear chain and closed−ring structures. We notably observe that for the formation of a stable linear structure on the cytoskeletal filament, presence of a binding energy is needed. In the presence of external stimuli the stability of the magnetosome chain is due to the internal dipole−dipole interactions, the stiffness and the binding energy of the protein structure connecting the magnetosome particles to the filament. Our observations, during and after the treatment of the magnetosome chain with the external magnetic field substantiates the stabilisation of magnetosome chains to the cytoskeletal filament by proteinous linkers and the dynamic feature of these structures.
Finally, we employ our model to study the FMR spectra of magnetosome chains in a single cell of magnetotactic bacteria. We explore the effect of magnetocrystalline anisotropy in three-fold symmetry observed in FMR spectra and the peculiarity of different spectra arisen from different mutants of these bacteria.
KW  - magnetotactic bacteria
KW  - magnetosome chains
KW  - structural properties
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - Magnetosomen-Ketten
KW  - strukturelle Eigenschaften
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398849
ER  - 
TY  - THES
A1  - Olszewska, Agata
T1  - Forming magnetic chain with the help of biological organisms
T1  - Die Bildung magnetischer Kettenstrukturen mit Hilfe biologischer Organismen
N2  - Magnetite nanoparticles and their assembly comprise a new area of development for new technologies. The magnetic particles can interact and assemble in chains or networks. Magnetotactic bacteria are one of the most interesting microorganisms, in which the assembly of nanoparticles occurs. These microorganisms are a heterogeneous group of gram negative prokaryotes, which all show the production of special magnetic organelles called magnetosomes, consisting of a magnetic nanoparticle, either magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4), embedded in a membrane. The chain is assembled along an actin-like scaffold made of MamK protein, which makes the magnetosomes to arrange in mechanically stable chains. The chains work as a compass needle in order to allow cells to orient and swim along the magnetic field of the Earth.
The formation of magnetosomes is known to be controlled at the molecular level. The physico–chemical conditions of the surrounding environment also influence biomineralization. The work presented in this manuscript aims to understand how such external conditions, in particular the extracellular oxidation reduction potential (ORP) influence magnetite formation in the strain Magnetospirillum magneticum AMB-1. A controlled cultivation of the microorganism was developed in a bioreactor and the formation of magnetosomes was characterized.
Different techniques have been applied in order to characterize the amount of iron taken up by the bacteria and in consequence the size of magnetosomes produced at different ORP conditions. By comparison of iron uptake, morphology of bacteria, size and amount of magnetosomes per cell at different ORP, the formation of magnetosomes was inhibited at ORP 0 mV, whereas reduced conditions, ORP – 500 mV facilitate biomineralization process.
Self-assembly of magnetosomes occurring in magnetotactic bacteria became an inspiration to learn from nature and to construct nanoparticles assemblies by using the bacteriophage M13 as a template. The M13 bacteriophage is an 800 nm long filament with encapsulated single-stranded DNA that has been recently used as a scaffold for nanoparticle assembly. I constructed two types of assemblies based on bacteriophages and magnetic nanoparticles. A chain – like assembly was first formed where magnetite nanoparticles are attached along the phage filament. A sperm – like construct was also built with a magnetic head and a tail formed by phage filament.
The controlled assembly of magnetite nanoparticles on the phage template was possible due to two different mechanism of nanoparticle assembly. The first one was based on the electrostatic interactions between positively charged polyethylenimine coated magnetite nanoparticles and negatively charged phages. The second phage –nanoparticle assembly was achieved by bioengineered recognition sites. A mCherry protein is displayed on the phage and is was used as a linker to a red binding nanobody (RBP) that is fused to the one of the proteins surrounding the magnetite crystal of a magnetosome.
Both assemblies were actuated in water by an external magnetic field showing their swimming behavior and potentially enabling further usage of such structures for medical applications. The speed of the phage - nanoparticles assemblies are relatively slow when compared to those of microswimmers previously published. However, only the largest phage-magnetite assemblies could be imaged and it is therefore still unclear how fast these structures can be in their smaller version.
N2  - Magnetit-Nanopartikel (Fe3O4) und deren Anordnungen umfassen einen neuen Bereich in der Entwicklung neuer Technologien. Diese magnetischen Teilcheninteragieren miteinander und unter bestimmten Umständen lassen sie sich in Ketten anordnen. Magnetotaktische Bakterien stellen eine Gruppeinteressanter Mikroorganismen dar, in welchen ebendiese kettenförmige Anordnung von Nanopartikeln vorkommt. Diese Mikroorgansimen gehören zu einer heterogenen Gruppe an Gram negativen Prokaryoten, welche die Produktion von speziellen magnetischen Organellen, den sogenannten Magnetosomen, aufweist. Die Magnetosomen bestehen entweder aus Magnetit- oder Greigit (Fe3S4)- Nanopartikeln, welche in einer Membran eingebettet sind. Die Kette ist entlang eines Aktin ähnlichen Gerüstes angeordnet, welches aus dem Protein MamK besteht und dafür verantwortlich ist, dass sich die Magnetosomen in mechanisch stabilen Ketten arrangieren können. Diese Ketten fungieren als Kompass Nadeln und ermöglichen es den Zellen sich entlang des Magnetfeldes der Erde zuorientieren.
Es ist bekannt, dass die Bildung der Magnetosomen auf molekularer Ebene kontrolliert wird. Die physiko-chemischen Bedingungen der direkten Umgebung beeinflussen die Biomineralisierung. Die in diesem Manuskript vorgestellte Arbeit setzt sich zum Ziel, die äußeren Bedingungen, im Speziellen der Einfluss des extrazellulären Oxidations- und Reduktions-Potentials (ORP) auf die Magnetit Bildung im Bakterienstamm Magnetospirillum magneticum AMB-1 besser zu verstehen. Eine kontrollierte Anzucht des Mikroorganismus wurde im Bioreaktor entwickelt und die Magnetosomenbildung wurden charakterisiert.
Unter verschiedenen ORP-Bedingungen wurde untersucht, wieviel Eisen von den Bakterien aufgenommen wird und welche Auswirkungen das auf die Zahl und Größe der Magnetosomen hat. Untersucht man die Parameter Eisenaufnahme, Morphologie der Bakterien, Größe und Menge der Magnetosomen pro Zelle kommt man zu dem Schluss, dass die Magnetosomenbildung bei einem ORP von 0 mV inhibiert wird, wobei reduzierende Bedingungen bei einem ORP von -500 mV den Biomineralisationsprozess fördern.
Inspiriert von der Fähigkeit der Selbstorganisation von Magnetosomen in MTB wurde versucht Nanopartikel-Anordnungen mit Hilfe des Bakteriophagen M13 als Vorlage zu konstruieren. Der Bakteriophage M13 ist ein 800 nm langes Filament mit eingekapselter einzelsträngiger DNA und wurde schon zuvor als Gerüst für Nanopartikel-Konstrukte verwendet. Ich habe zwei Typen von Anordnungen basierend auf Bakteriophagen und magnetischen Nanopartikeln konstruiert. Es wurde eine kettenartige Struktur, an der magnetische Nanopartikel entlang eines Phagenfilamentes angebracht sind und ein spermienähnliches Konstrukt mit einem magnetischen Kopf und einem Phagenfilament als Schwanz, entwickelt.
Um eine kontrollierte Anordnung von Magnetit-Nanopartikeln an den Phagen zu ermöglichen, wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Der erste basierte auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den mit positiv geladenem Polyethylenimin dekorierten Magnetit-Nanopartikeln und den negativ geladenen Phagen. Das zweite Phagen-Nanopartikel-Konstrukt wurde mit Hilfe von biologisch veränderten Erkennungsseiten hergestellt. Die Phagen weisen ein mCherry Protein auf, welches als Verbindungsstück für den red binding nanobody (RBP) verwendet wurde. Dieser wurde mit einem der Proteine fusioniert, welches die Magnetit Kristalle der Magnetosomen umhüllt.
Beide Konstrukte wurden mit Hilfe eines externen Magnetfeldes im Wasser angeregt, wobei sich ihr Schwimmverhalten und das Potential für medizinische Anwendungen dieser Strukturen zeigten. Die Geschwindigkeit der Phagen-Nanopartikel-Konstrukte war im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Mikroschwimmern relativ langsam. Es konnten jedoch nur die größten Phagen-Magnetit-Konstrukte visualisiert werden, wodurch die Geschwindigkeit der kleineren Versionen dieser Strukturen noch unklar bleibt.
KW  - nanoparticles
KW  - phages
KW  - nanoparticles assembly
KW  - magnetotactic bacteria
KW  - Nanopartikel
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - magnetite Ketter
KW  - Bakteriophagen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89767
ER  - 
TY  - THES
A1  - Faivre, Damien
T1  - Biological and biomimetic formation and organization of magnetic nanoparticles
T1  - Biologische und biomimetische Bildung und Anordnung von magnetischen Nanopartikel
N2  - Biological materials have ever been used by humans because of their remarkable properties. This is surprising since the materials are formed under physiological conditions and with commonplace constituents. Nature thus not only provides us with inspiration for designing new materials but also teaches us how to use soft molecules to tune interparticle and external forces to structure and assemble simple building blocks into functional entities. Magnetotactic bacteria and their chain of magnetosomes represent a striking example of such an accomplishment where a very simple living organism controls the properties of inorganics via organics at the nanometer-scale to form a single magnetic dipole that orients the cell in the Earth magnetic field lines. My group has developed a biological and a bio-inspired research based on these bacteria. My research, at the interface between chemistry, materials science, physics, and biology focuses on how biological systems synthesize, organize and use minerals. We apply the design principles to sustainably form hierarchical materials with controlled properties that can be used e.g. as magnetically directed nanodevices towards applications in sensing, actuating, and transport. In this thesis, I thus first present how magnetotactic bacteria intracellularly form magnetosomes and assemble them in chains. I developed an assay, where cells can be switched from magnetic to non-magnetic states. This enabled to study the dynamics of magnetosome and magnetosome chain formation. We found that the magnetosomes nucleate within minutes whereas chains assembles within hours. Magnetosome formation necessitates iron uptake as ferrous or ferric ions. The transport of the ions within the cell leads to the formation of a ferritin-like intermediate, which subsequently is transported and transformed within the magnetosome organelle in a ferrihydrite-like precursor. Finally, magnetite crystals nucleate and grow toward their mature dimension. In addition, I show that the magnetosome assembly displays hierarchically ordered nano- and microstructures over several levels, enabling the coordinated alignment and motility of entire populations of cells. The magnetosomes are indeed composed of structurally pure magnetite. The organelles are partly composed of proteins, which role is crucial for the properties of the magnetosomes. As an example, we showed how the protein MmsF is involved in the control of magnetosome size and morphology. We have further shown by 2D X-ray diffraction that the magnetosome particles are aligned along the same direction in the magnetosome chain. We then show how magnetic properties of the nascent magnetosome influence the alignment of the particles, and how the proteins MamJ and MamK coordinate this assembly. We propose a theoretical approach, which suggests that biological forces are more important than physical ones for the chain formation. All these studies thus show how magnetosome formation and organization are under strict biological control, which is associated with unprecedented material properties. Finally, we show that the magnetosome chain enables the cells to find their preferred oxygen conditions if the magnetic field is present. The synthetic part of this work shows how the understanding of the design principles of magnetosome formation enabled me to perform biomimetic synthesis of magnetite particles within the highly desired size range of 25 to 100 nm. Nucleation and growth of such particles are based on aggregation of iron colloids termed primary particles as imaged by cryo-high resolution TEM. I show how additives influence magnetite formation and properties. In particular, MamP, a so-called magnetochrome proteins involved in the magnetosome formation in vivo, enables the in vitro formation of magnetite nanoparticles exclusively from ferrous iron by controlling the redox state of the process. Negatively charged additives, such as MamJ, retard magnetite nucleation in vitro, probably by interacting with the iron ions. Other additives such as e.g. polyarginine can be used to control the colloidal stability of stable-single domain sized nanoparticles. Finally, I show how we can “glue” magnetic nanoparticles to form propellers that can be actuated and swim with the help of external magnetic fields. We propose a simple theory to explain the observed movement. We can use the theoretical framework to design experimental conditions to sort out the propellers depending on their size and effectively confirm this prediction experimentally. Thereby, we could image propellers with size down to 290 nm in their longer dimension, much smaller than what perform so far.
N2  - Biologische Materialien wie Knochen, Muscheln und Holz wurden von den Menschen seit den ältesten Zeiten verwendet. Diese biologisch gebildeten Materialien haben bemerkenswerte Eigenschaften. Dies ist besonders überraschend, da sie unter physiologischen Bedingungen und mit alltäglichen Bestandteilen gebildet sind. Die Natur liefert uns also nicht nur mit Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien, sondern lehrt uns auch, wie biologische Additiven benutzen werden können, um einfache synthetische Bausteine in funktionale Einheiten zu strukturieren. Magnetotaktischen Bakterien und ihre Kette von Magnetosomen sind ein Beispiel, wo einfache Lebewesen die Eigenschaften von anorganischen Materialien steuern, um sich entlang den magnetischen Feldlinien der Erde zu orientieren. Die von den Bakterien gebildeten Magnetosomen sind von besonderem Interesse, da mit magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in den letzten zehn Jahren einer Vielzahl von Bio-und nanotechnologischen Anwendungen entwickelt worden sind. In dieser Arbeit stelle ich eine biologische und eine bio-inspirierte Forschung auf der Grundlage der magnetotaktischen Bakterien vor. Diese Forschung verbindet die neuesten Entwicklungen von Nanotechnik in der chemischen Wissenschaft, die neuesten Fortschritte der Molekularbiologie zusammen mit modernen Messverfahren. Mein Forschungsschwerpunkt liegt somit an der Schnittstelle zwischen Chemie, Materialwissenschaften, Physik und Biologie. Ich will verstehen, wie biologische Systeme Materialien synthetisieren und organisieren, um Design-Prinzipien zu extrahieren, damit hierarchischen Materialien mit kontrollierten Eigenschaften nachhaltig gebildet werden.
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - Magnetit Nanopartikel
KW  - Biomineralisation
KW  - magnetite
KW  - nanoparticle
KW  - biomineralization
KW  - magnetosome
KW  - magnetotactic bacteria
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72022
ER  -