الفيزياء في عالم الحيوان: البكتيريا الحساسة المغناطيسية وبوصلة

في عام 1975 ، تخرج ريتشارد ب. بلاكمور ، عالم الأحياء الدقيقة ، بدرجة جامعية في جامعة ماساتشوستس وبدأ في جمع البكتيريا من الأهوار على طول ساحل المحيط الأطلسي. درس العينات المختارة في المختبر ، ثم ذهب مرة أخرى إلى معسكر التدريب. بمجرد أن اكتشف سلوكًا مثيرًا للاهتمام لإحدى سلالات البكتيريا المختارة. والحقيقة هي أن هذه البكتيريا تتجمع دائمًا على الحافة الشمالية من قطرة سائل كانت فيها على شريحة مجهرية. لقد تحقق من افتراضه ، واتضح أن البكتيريا تتجه شمالًا باستمرار.

قرر بلاكمور أن يفهم كيف أن الكائنات الحية المصغرة ، التي يبلغ حجمها حوالي ألفي المليمتر في الطول ، قادرة على تحديد النقاط الأساسية. أولاً ، فحص العالم ما إذا كانت البكتيريا تتفاعل مع المجال المغناطيسي. أخذ بوصلة صغيرة ووضعها بجانب شريحة زجاجية بها قطرة سائلة وبكتيريا. بدأت البكتيريا ، متجاهلة هذه المرة الشمال ، في التحرك في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي لهذا المغناطيس.

أدرك العالم على الفور أنه كان في مجال مغناطيسي ، وليس في أي شيء آخر. من أجل وصف الحساسية المغناطيسية للبكتيريا ، اقترح مصطلح "المغنطيسية". تجدر الإشارة إلى أن العلماء اكتشفوا لاحقًا بكتيريا أخرى تتفاعل مع المجال المغناطيسي. من بينها ، في بعض الأحيان ، لا يوجد شيء مشترك إلا القدرة على التحرك في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي. يجمع مصطلح "البكتيريا الممغنطة" بين العصي والسبيريوس والفيبريوس والكائنات الدقيقة الأخرى.

كما اتضح ، يتم وضع جزيئات صغيرة من المغنتيت داخل البكتيريا. حجم كل جسيم هو 50 نانومتر فقط على كل جانب. بالنسبة للبكتيريا المختلفة ، يمكن أن تكون إما حبيبات المغنتيت (Fe3O4) أو حبيبات الجريجيت (Fe3S4). هذه الحبيبات محاطة بغشاء بروتين دهني.

تسمى الأعضاء التي يتم فيها تصنيع البلورات بالمغناطيسية. داخل البكتيريا ، يمكن دمجها في سلاسل ، وفي خلايا البكتيريا الممغنطة يمكن أن يكون عددها عدة عشرات أو حتى مئات (تم العثور على أكثر من ألف مغنسيوم في واحدة من البكتيريا ، Candidatus Magnetobacter bavaricum). لذا ، تصطف بلورات المغنتيت والجريجايت في جسم هذه البكتيريا على طول السلسلة ، ويتم توجيهها بالتوازي مع لحظات ثنائي القطب المغناطيسي. كما تخبرنا ويكيبيديا، magnetosome - البنية الغشائية للبكتيريا المميزة للبكتيريا مع مغنطيسية ، تحتوي على بلورات مغناطيسية حديدية أحادية النطاق. عادة ، تحتوي الخلية على ما بين 15 و 20 من بلورات الماغنتيت ، والتي تعمل معًا كإبرة بوصلة ، مما يساعد البكتيريا على التنقل بالنسبة للمجالات المغنطيسية ، وبالتالي تبسيط بحثها عن موطنها المحبب. تم العثور على جزيئات المغنتيت أيضًا في الطحالب المغناطيسية حقيقية النواة ، التي تحتوي خلاياها على عدة آلاف من البلورات.


عادة ، يكون إجمالي عزم ثنائي القطب المغناطيسي كبيرًا بما يكفي لتوجيه الخلية في اتجاه الخطوط المغناطيسية. تتحرك البكتيريا الموجهة إلى النقاط الأساسية بمساعدة واحدة أو أكثر من السوط. النقطة المثيرة للاهتمام هي أن الخلايا الميتة موجهة أيضًا على طول خطوط المجال المغناطيسي (تبقى المغنطيسات في جسم الكائن الحي) ولكن لأسباب واضحة لا تتحرك.

تتحرك البكتيريا الحساسة من نصف الكرة الأرضية الشمالي بالتوازي مع خطوط المجال المغنطيسي الأرضي. هذا يؤدي إلى حركة الكائنات الدقيقة المجهرية في اتجاه الخادم. يطلق عليهم "الباحثين عن الشمال". لكن البكتيريا من نصف الكرة الجنوبي تتحرك في الاتجاه المعاكس ، ويطلق عليها "الباحثون عن الجنوب". في الواقع ، لا يثير اسم البكتيريا تساؤلات. نظرًا لأن نواقل خطوط المجال المغناطيسي موجهة لأعلى في نصف الكرة الجنوبي وأسفل في الشمال ، فإن حركة "الجنوبيين" و "الشماليين" يتم توجيهها دائمًا إلى أسفل.

يفسر العلماء هذه الميزة للبكتيريا بحقيقة أنها تحتاج إلى طبقات الحمأة مع الحد الأدنى من تركيز الأكسجين. وتؤدي القدرة على التنقل في الفضاء إلى حقيقة أن البكتيريا تتحرك دون مشاكل أقل وأقل. ثم ، بعد الوصول إلى العمق المطلوب ، تستقر على جزيئات الطمي. صحيح ، هناك عدد من الأسئلة. أحد هذه الأسباب هو أن العلماء لا يستطيعون حتى الآن تفسير السبب ، بالنسبة لبعض أنواع البكتيريا ، لمئات من المغنسيوموسومات في خلية واحدة. بعد كل شيء ، القليل فقط من هذه الجسيمات يكفي للتوجيه.

قال ريتشارد بلاكمور ، رائد هذا النوع من البكتيريا ، أن المغنزيوم قد يكون له وظائف عديدة. أحدها هو منع تراكم بيروكسيد الهيدروجين H2O2 في الخلية. تم تأكيد هذا الافتراض جزئيًا من خلال التجارب الجديدة ، والتي أظهرت أن المغنطومات تقلل فعليًا من محتوى أنواع الأكسجين التفاعلية في الخلية. ولكن هناك سؤال آخر يتعلق بالسؤال السابق. والحقيقة هي أن تخليق المغنطيسيات يبدأ فقط في حالة انخفاض تركيز الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الأشكال الحرة من أيون الحديد ثنائي التكافؤ سامة للبكتيريا. لكن تراكم عدد كبير من المغنسيوم في الخلية يمكن أن يؤدي إلى تراكم هذه الأيونات.

(A) ; (B) fusion («») , ; © -; (D) - (MM— , MMP— , SAV—) ">(A) ; (B) fusion («») , ; © -; (D) - (MM— , MMP— , SAV—)

هناك نقطة مثيرة للاهتمام في عملية التوليف. والحقيقة هي أن جميع البكتيريا الحساسة المغناطيسية تقريبًا تقوم بتكوين بلورات المغنتيت Fe3O4 من نفس الشكل تقريبًا وبتوزيع حجم ضيق. وكل هذا يحدث في درجة حرارة الغرفة. منذ وقت ليس ببعيد ، وجد أن ربط أيونات الحديد يتضمن بروتين mms6 ، بالإضافة إلى ، ربما ، بروتينات أخرى. الآن هناك خطط مختلفة لتجميع المغنتيت في درجة حرارة الغرفة من هيدروكسيد الحديد. وذهب علماء من مختبر أميس وجامعة ولاية أيوا (الولايات المتحدة) إلى أبعد من ذلك: فقد استخدموا بروتينات البكتيريا mms6 في تصنيع البلورات النانوية من الكوبالت الفريت (CoFe2O4) ، والتي لا يمكن للكائنات الحية تصنيعها.

من أجل تحقيق هذه النتيجة ، أدرج المؤلفون البروتين المذكور أعلاه في تكوين الهلام ، حيث تم دمج جزيئاته الفردية في مجموعات. تم ترتيب المجموعات بطريقة معينة ، بعد أن شكلت مصفوفة لتركيب البلورات النانوية. عندما تمت إضافة الكوبالت وأملاح الحديد (CoCl2 و FeCl2) ، تم الحصول على صفائح رقيقة من سليكات الكوبالت الفريتية (50-80 نانومتر).

كما اتضح ، أظهرت هذه المادة خصائص مغناطيسية أفضل مقارنة بفريت الكوبالت ، الذي تم تصنيعه في ظروف مماثلة ، ولكن دون استخدام بروتين mms6.

CoFe2O4, : a,b – , ; c – mms6, ; d – C- mms6; e – , mms6; f – , C- mms6 (). 50

أي أن هناك بلورات نانوية مغناطيسية داخل البكتيريا ، بالإضافة إلى وجود غشاء بروتين دهني عضوي في الخلية نفسها ، مما سمح للعلماء ببدء التخطيط لاستخدام هذه البكتيريا كأدوات مختلفة. على سبيل المثال ، لشل حركة الإنزيمات مثل أوكسيديز الجلوكوز ويوريكيز. في حالة العمل مع البكتيريا ، كانت الإنزيمات أكثر نشاطًا بنسبة 40 مما كانت عليه في حالة العمل مع الجسيمات المغناطيسية الاصطناعية.

اتضح أنه من الممكن استخدام المغنسيوم مع الأجسام المضادة على سطحها لإجراء فحوصات ماصة مناعية مختلفة مرتبطة بالإنزيم. من بين أصناف هذه التحليلات تحديد المواد المسببة للحساسية وخلايا سرطان البشرة. يمكن أن تعمل الجسيمات المغناطيسية البكتيرية أيضًا مع مادة فلورية للكشف عن خلايا الإشريكية القولونية.

الآن ، استنادًا إلى البكتيريا الحساسة للمغناطيسية وجسيماتها المغناطيسية ، يتم تطوير طريقة لتقديم الأدوية المستهدفة إلى مختلف أعضاء الجسم البشري والحيواني. باستخدام المغناطيس ، يمكن توصيل الجسيمات المغناطيسية للبكتيريا مع الأدوية مباشرة إلى الهدف.

من الممكن استخدام الميزات الفريدة للبكتيريا الموصوفة ليس فقط في الطب. يمكنك العمل معهم والالكترونيات. على سبيل المثال ، اقترح علماء من جامعة ليدز تقنيتهم ​​الخاصة لزراعة بلورات مغنتيت موحدة على ركيزة باستخدام البكتيريا الحساسة المغناطيسية. استخدم العلماء اليابانيون طريقة مماثلة ، قرروا فقط أن يشكلوا بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة أساس الأسلاك النانوية في الدوائر الدقيقة الصغيرة المجهرية. عند إنشاء أسلاك نانوية ، يستخدم العلماء من اليابان جزيئات من النحاس وكبريتيد الإنديوم وكبريتيد الزنك. يتم وضع هذه الأسلاك النانوية في غلاف من الدهون. تمكن العلماء من تكوين شيء مثل الأنابيب من الجزيئات الدهنية التي يتم بعد ذلك وضع الأسلاك.

مع هذه الطريقة في نمو البلورات ، يتم ترتيب البكتيريا على ركيزة ذهبية في نمط رقعة الشطرنج. بعد ذلك ، يتم وضع الركيزة في محلول من أملاح الحديد. عند درجة حرارة 80 درجة مئوية ، تتكون بلورات نانوية مغنتيت متجانسة في تلك المناطق المطلية بالبكتيريا. تسمح لك هذه البلورات النانوية بحمل شحنة ، ويمكن استخدام النظام لتسجيل المعلومات.


تمكن العلماء الكنديون من مختبر NanoRobotics التابع لـ Ecole Polytechnique في مونتريال من إجبار البكتيريا على بناء نظام هرمي صغير. باستخدام الكمبيوتر للتحكم في شكل وكثافة الأرضية المغناطيسية ، تمكن المتخصصون من تنظيم انفصال البنائين من مستعمرة من البكتيريا الحساسة المغناطيسية. في سلسلة من التجارب ، حقق الخبراء إنشاء هيكل على شكل هرم ، وكذلك تعزيز البكتيريا في الجهاز الدوري للفئران الحية. يأمل الكنديون في المستقبل في استخدام التكنولوجيا من خلال سلوك البكتيريا لإنشاء بنى نانوية أكبر. ربما يمكن أن تصبح البكتيريا الحساسة المغناطيسية جزءًا من نظام أكثر تعقيدًا.

حتى الآن ، جميع الأساليب المقترحة تقريبًا للعمل مع البكتيريا الحساسة المغناطيسية هي في مرحلة الاختبارات المعملية. والحقيقة هي أن هذه الكائنات الدقيقة تنمو ببطء نسبيًا ، مما يعني أن إنتاجيتها ليست عالية جدًا. لذلك ، في الوقت الحالي ، يكون العمل مع الأساليب الفيزيائية الكيميائية التقليدية لزراعة البلورات نفسها أكثر ربحية. لكن طرق زراعة البكتيريا الممغنطة يتم تحسينها باستمرار ، وبالتالي تزداد إنتاجية السلالات.

من أجل تحقيق نتائج أفضل ، يقترح العلماء استخدام الهندسة الوراثية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar400313/