Physik in der Tierwelt: magnetisch empfindliche Bakterien und ihr Kompass

1975 schloss der Mikrobiologe Richard P. Blakemore sein Studium an der University of Massachusetts ab und begann, Bakterien aus den Sümpfen entlang der Atlantikküste zu sammeln . Er studierte die ausgewählten Proben im Labor und ging dann wieder ins Trainingslager. Einmal entdeckte er ein interessantes Verhalten eines der Stämme ausgewählter Bakterien. Tatsache ist, dass sich diese Bakterien immer am nördlichen Rand eines Flüssigkeitstropfens sammelten, in dem sie sich auf einem Objektträger befanden. Er überprüfte seine Vermutung und es stellte sich heraus, dass die Bakterien wirklich ständig nach Norden gehen.

Blackmore beschloss zu verstehen, wie lebende Miniaturorganismen, deren Größe etwa zweitausendstel Millimeter lang ist, die Kardinalpunkte bestimmen können. Zunächst überprüfte der Wissenschaftler, ob die Bakterien auf ein Magnetfeld reagieren. Er nahm einen kleinen Kompass und stellte ihn neben einen Glasobjektträger mit einem Tropfen Flüssigkeit und Bakterien. Bakterien, die diesmal den Norden ignorierten, begannen sich in Richtung der Linien des Magnetfeldes dieses Magneten zu bewegen.

Der Wissenschaftler erkannte sofort, dass es sich in einem Magnetfeld befand und in nichts anderem. Um die Magnetosensitivität von Bakterien zu beschreiben, schlug er den Begriff „Magnetotaxis“ vor. Es ist erwähnenswert, dass Wissenschaftler später andere Bakterien entdeckten, die auf ein Magnetfeld reagieren. Unter ihnen gibt es manchmal nichts gemeinsam außer der Fähigkeit, sich in Richtung der Linien des Magnetfelds zu bewegen. Der Begriff "magnetotaktische Bakterien" kombiniert Stöcke, Spirillos, Vibrios und andere Mikroorganismen.

Wie sich herausstellte, sind winzige Magnetitpartikel in den Bakterien eingeschlossen. Die Größe jedes solchen Teilchens beträgt auf jeder Seite nur 50 nm. Bei verschiedenen Bakterien kann es sich entweder um Magnetitgranulat (Fe3O4) oder um Greigitgranulat (Fe3S4) handeln. Diese Körnchen sind von einer Lipoproteinmembran umgeben.

Die Organe, in denen die Kristalle synthetisiert werden, werden Magnetosomen genannt. Innerhalb von Bakterien können sie zu Ketten zusammengefasst werden, und in den Zellen magnetotaktischer Bakterien kann ihre Anzahl mehrere zehn oder sogar Hunderte betragen (mehr als tausend Magnetosomen wurden in einem der Bakterien, Candidatus Magnetobacter bavaricum, gefunden). Die Kristalle von Magnetit und Greigit richten sich also im Körper solcher Bakterien entlang der Kette aus und werden durch magnetische Dipolmomente parallel geführt. Wie Wikipedia uns sagt, Magnetosom - die Membranstruktur von Bakterien, die für Bakterien mit Magnetotaxis charakteristisch sind und ferromagnetische Monodomänenkristalle enthalten. Typischerweise enthält eine Zelle zwischen 15 und 20 Magnetitkristalle, die zusammen als Kompassnadel fungieren und den Bakterien helfen, relativ zu geomagnetischen Feldern zu navigieren, und so ihre Suche nach ihrem bevorzugten mikroaerophilen Lebensraum vereinfachen. Magnetitpartikel kommen auch in eukaryotischen magnetotaktischen Algen vor, deren Zellen mehrere tausend Kristalle enthalten.


Normalerweise ist das gesamte magnetische Dipolmoment groß genug , um die Zelle in Richtung der magnetischen Linien auszurichten. An den Kardinalpunkten orientierte Bakterien bewegen sich mit Hilfe einer oder mehrerer Flagellen. Ein interessanter Punkt ist, dass tote Zellen ebenfalls entlang der Linien des Magnetfelds ausgerichtet sind (die Magnetosomen verbleiben im Körper des Organismus), sich aber aus offensichtlichen Gründen nicht bewegen.

Magnetosensitive Bakterien aus der nördlichen Erdhalbkugel bewegen sich parallel zu den Linien des Erdmagnetfeldes. Dies führt zur Bewegung mikroskopisch kleiner Organismen in Richtung Server. Sie werden "Nordsucher" genannt. Aber Bakterien aus der südlichen Hemisphäre bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung, sie werden "Südsucher" genannt. Eigentlich wirft der Name der Bakterien keine Fragen auf. Da die Vektoren der Magnetfeldlinien in der südlichen Hemisphäre nach oben und im Norden nach unten gerichtet sind, ist die Bewegung sowohl der „Südstaatler“ als auch der „Nordstaatler“ immer nach unten gerichtet.

Wissenschaftler erklären dieses Merkmal von Bakterien damit, dass sie Schlammschichten mit einer minimalen Sauerstoffkonzentration benötigen. Und die Fähigkeit, im Weltraum zu navigieren, führt dazu, dass sich Bakterien ohne Probleme immer tiefer bewegen. Nachdem sie die gewünschte Tiefe erreicht haben, setzen sie sich auf Schlickpartikeln ab. Es stimmt, es gibt eine Reihe von Fragen. Eine davon ist, dass Wissenschaftler noch nicht erklären können, warum für einige Arten von Bakterien Hunderte von Magnetosomen in einer Zelle vorhanden sind. Schließlich reichen nur wenige dieser Partikel zur Orientierung aus.

Richard Blackmore, der Pionier dieser Art von Bakterien, sagte, dass Magnetosomen mehrere Funktionen haben könnten. Eine davon besteht darin, die Anreicherung von Wasserstoffperoxid H2O2 in der Zelle zu verhindern. Diese Annahme wird teilweise durch neue Experimente bestätigt, die zeigten, dass Magnetosomen tatsächlich den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies in der Zelle reduzieren. Aber es gibt noch eine andere Frage, die sich auf die vorherige bezieht. Tatsache ist, dass die Synthese von Magnetosomen erst bei einer niedrigen Sauerstoffkonzentration beginnt. Außerdem sind freie Formen des zweiwertigen Eisenions für Bakterien toxisch. Die Akkumulation einer großen Anzahl von Magnetosomen in der Zelle kann jedoch zur Akkumulation solcher Ionen führen.

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Es gibt einen interessanten Punkt im Synthesevorgang. Tatsache ist, dass fast alle magnetisch empfindlichen Bakterien Magnetitkristalle Fe3O4 mit nahezu gleicher Form und enger Größenverteilung synthetisieren. Und das alles bei Raumtemperatur. Vor nicht allzu langer Zeit wurde festgestellt, dass die Bindung von Eisenionen mms6-Protein und möglicherweise andere Proteine ​​umfasst. Nun gibt es verschiedene Pläne für die Synthese von Magnetit bei Raumtemperatur aus Eisenhydroxid. Wissenschaftler des Ames Laboratory und der Iowa State University (USA) gingen noch einen Schritt weiter: Sie verwendeten das bakterielle Protein mms6 zur Synthese von Nanokristallen aus Kobaltferrit (CoFe2O4), die lebende Organismen nicht herstellen können.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, nahmen die Autoren das oben erwähnte Protein in die Zusammensetzung des Gels auf, wo seine einzelnen Moleküle zu Gruppen zusammengefasst wurden. Die Gruppen waren in gewisser Weise angeordnet und bildeten eine Matrix für die Synthese von Nanokristallen. Bei Zugabe von Kobalt- und Eisensalzen (CoCl2 und FeCl2) wurden ziemlich große (50-80 nm) dünne hexagonale Kobaltferritplatten erhalten .

Wie sich herausstellte , zeigte dieses Material bessere magnetische Eigenschaften im Vergleich zu Kobaltferrit, das unter ähnlichen Bedingungen, jedoch ohne Verwendung von mms6-Protein, synthetisiert wurde.

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Das heißt, es gibt magnetische Nanokristalle in den Bakterien sowie eine organische Lipoproteinmembran in der Zelle selbst, die es Wissenschaftlern ermöglichte, die Verwendung dieser Bakterien als verschiedene Werkzeuge zu planen. Zum Beispiel, um Enzyme wie Glucoseoxidase und Uricase zu immobilisieren. Bei der Arbeit mit Bakterien waren Enzyme 40 aktiver als bei der Arbeit mit künstlichen Magnetpartikeln.

Es stellte sich heraus, dass es möglich war, Magnetosomen mit Antikörpern auf ihrer Oberfläche zu verwenden, um verschiedene enzymgebundene Immunosorbens-Assays durchzuführen. Zu den Varianten dieser Analysen gehört die Bestimmung von Allergenen und epidermoiden Krebszellen. Bakterielle Magnetpartikel können auch mit einer fluoreszierenden Substanz arbeiten, um E. coli-Zellen nachzuweisen.

Basierend auf magnetosensitiven Bakterien und ihren Magnetosomen wird nun eine Methode zur gezielten Abgabe von Arzneimitteln an verschiedene Organe des menschlichen und tierischen Körpers entwickelt. Mit einem Magneten können Magnetosomen von Bakterien mit Medikamenten direkt an das Ziel abgegeben werden.

Es ist möglich, die einzigartigen Eigenschaften der Bakterien nicht nur in der Medizin zu nutzen. Sie können mit ihnen und Elektronik arbeiten. Zum Beispiel haben Wissenschaftler der University of Leeds ihre eigene Technologie vorgeschlagen, um unter Verwendung magnetisch empfindlicher Bakterien gleichmäßige Magnetitkristalle auf einem Substrat zu züchten. Japanische Wissenschaftler verwendeten eine ähnliche Methode, nur beschlossen sie, mit Hilfe von Mikroorganismen die Basis für Nanodrähte in mikroskopisch kleinen Mikrokreisen zu bilden. Bei der Herstellung von Nanodrähten verwenden Wissenschaftler aus Japan Partikel aus Kupfer- und Indiumsulfid sowie Zinksulfid. Solche Nanodrähte sind in einer Hülle aus Lipiden angeordnet. Wissenschaftler konnten aus Lipidmolekülen so etwas wie Tubuli bilden, in die die Drähte dann gelegt werden.

Bei dieser Methode zum Züchten von Kristallen werden die Bakterien in einem Schachbrettmuster auf einem Goldsubstrat angeordnet. Danach wird das Substrat in eine Lösung von Eisensalzen gegeben. Bei einer Temperatur von 80 ° C bilden sich in den mit Bakterien beschichteten Bereichen homogene Magnetit-Nanokristalle. Mit solchen Nanokristallen können Sie eine Ladung halten, und das System kann zum Aufzeichnen von Informationen verwendet werden.


Kanadische Wissenschaftler des NanoRobotics Laboratory der Ecole Polytechnique in Montreal konnten Bakterien zum Aufbau eines kleinen pyramidenförmigen Systems zwingen. Mithilfe eines Computers zur Steuerung der Form und Intensität des Magnetbodens konnten Spezialisten eine Ablösung von Bauherren von einer Kolonie magnetisch empfindlicher Bakterien organisieren. In einer Reihe von Experimenten haben Experten die Schaffung einer Struktur in Form einer Pyramide sowie die Förderung von Bakterien im Kreislaufsystem einer lebenden Ratte erreicht. Kanadier hoffen, in Zukunft mithilfe von Technologie das Verhalten von Bakterien nutzen zu können, um größere Nanostrukturen zu schaffen. Vielleicht können magnetisch empfindliche Bakterien Teil eines komplexeren Systems werden.

Bisher befinden sich fast alle vorgeschlagenen Methoden zur Arbeit mit magnetisch empfindlichen Bakterien im Stadium der Labortests. Tatsache ist, dass diese Mikroorganismen relativ langsam wachsen, was bedeutet, dass ihre Produktivität nicht sehr hoch ist. Daher ist es derzeit rentabler, mit traditionellen physikalisch-chemischen Methoden zum Züchten derselben Kristalle zu arbeiten. Die Methoden zur Kultivierung magnetotaktischer Bakterien werden jedoch ständig verbessert, und daher steigt die Produktivität der Stämme.

Um bessere Ergebnisse zu erzielen, schlagen Wissenschaftler den Einsatz von Gentechnik vor.

Source: https://habr.com/ru/post/de400313/