Física en el mundo animal: bacterias magnéticamente sensibles y su brújula.

En 1975, Richard P. Blakemore, un microbiólogo, se graduó con un título en la Universidad de Massachusetts y comenzó a recolectar bacterias de los pantanos a lo largo de la costa atlántica. Estudió las muestras seleccionadas en el laboratorio, y luego nuevamente fue al campo de entrenamiento. Una vez que descubrió un comportamiento interesante de una de las cepas de bacterias seleccionadas. El hecho es que estas bacterias siempre se acumulan en el borde norte de una gota de líquido en la que estaban en un portaobjetos de microscopio. Verificó su suposición, y resultó que las bacterias realmente se dirigen constantemente hacia el norte.

Blackmore decidió comprender cómo los organismos vivos en miniatura, cuyo tamaño es de aproximadamente dos milésimas de milímetro de longitud, pueden determinar los puntos cardinales. Primero, el científico verificó si las bacterias reaccionan a un campo magnético. Tomó una pequeña brújula y la colocó junto a un portaobjetos de vidrio con una gota de líquido y bacterias. Las bacterias, ignorando esta vez el norte, comenzaron a moverse en la dirección de las líneas del campo magnético de este imán.

El científico se dio cuenta de inmediato de que estaba en un campo magnético, y no en otra cosa. Para describir la magnetosensibilidad de las bacterias, propuso el término "magnetotaxis". Vale la pena señalar que más tarde, los científicos descubrieron otras bacterias que reaccionan a un campo magnético. Entre ellos, a veces, no hay nada en común excepto la capacidad de moverse en la dirección de las líneas del campo magnético. El término "bacteria magnetotáctica" combina palos, espirillos, vibrios y otros microorganismos.

Al final resultó que, pequeñas partículas de magnetita están encerradas dentro de la bacteria. El tamaño de cada una de esas partículas es de solo 50 nm en cada lado. Para diferentes bacterias, pueden ser gránulos de magnetita (Fe3O4) o gránulos de greigita (Fe3S4). Estos gránulos están rodeados por una membrana de lipoproteína.

Los órganos donde se sintetizan los cristales se llaman magnetosomas. Dentro de las bacterias, se pueden combinar en cadenas, y en las células de bacterias magnetotácticas su número puede ser de varias decenas o incluso cientos (en una de las bacterias, Candidatus Magnetobacter bavaricum, se encontraron más de mil magnetosomas). Entonces, los cristales de magnetita y greigita se alinean en el cuerpo de tales bacterias a lo largo de la cadena, siendo guiados en paralelo por momentos dipolares magnéticos. Como Wikipedia nos dice, magnetosoma: la estructura de la membrana de las bacterias característica de las bacterias con magnetotaxis, que contiene cristales ferromagnéticos monodominio. Por lo general, una célula contiene entre 15 y 20 cristales de magnetita, que en conjunto actúan como una aguja de la brújula, ayudando a las bacterias a navegar en relación con los campos geomagnéticos y, por lo tanto, les facilita encontrar su hábitat microaerofílico favorito. Las partículas de magnetita también se encuentran en algas eucariotas magnetotácticas, cuyas células contienen varios miles de cristales.


Por lo general, el momento dipolar magnético total es lo suficientemente grande como para orientar la célula en la dirección de las líneas magnéticas. Las bacterias orientadas a los puntos cardinales se mueven con la ayuda de uno o varios flagelos. Un punto interesante es que las células muertas también están orientadas a lo largo de las líneas del campo magnético (los magnetosomas permanecen en el cuerpo del organismo) pero por razones obvias no se mueven.

Las bacterias magnetosensibles del hemisferio norte de la Tierra se mueven paralelas a las líneas del campo geomagnético. Esto conduce al movimiento de organismos microscópicamente pequeños en la dirección del servidor. Se les llama "buscadores del norte". Pero las bacterias del hemisferio sur se mueven en la dirección opuesta, se les llama "buscadores del sur". En realidad, el nombre de la bacteria no plantea dudas. Como los vectores de las líneas del campo magnético se dirigen hacia arriba en el hemisferio sur y hacia abajo en el norte, el movimiento de los "sureños" y "norteños" siempre se dirige hacia abajo.

Los científicos explican esta característica de las bacterias por el hecho de que necesitan capas de lodo con una concentración mínima de oxígeno. Y la capacidad de navegar en el espacio conduce al hecho de que las bacterias se mueven sin problemas más y más. Luego, habiendo alcanzado la profundidad deseada, se asientan en partículas de limo. Es cierto, hay una serie de preguntas. Una de ellas es que los científicos aún no pueden explicar por qué, para algunos tipos de bacterias, cientos de magnetosomas en una célula. Después de todo, solo unas pocas de estas partículas son suficientes para la orientación.

Richard Blackmore, el pionero de este tipo de bacterias, dijo que los magnetosomas pueden tener varias funciones. Una de ellas es evitar la acumulación de peróxido de hidrógeno H2O2 en la célula. Esta suposición se confirma parcialmente por nuevos experimentos, que mostraron que los magnetosomas en realidad reducen el contenido de especies reactivas de oxígeno en la célula. Pero hay otra pregunta relacionada con la anterior. El hecho es que la síntesis de magnetosomas comienza solo en el caso de una baja concentración de oxígeno. Además, las formas libres del ion de hierro divalente son tóxicas para las bacterias. Pero la acumulación en la célula de una gran cantidad de magnetosomas puede conducir a la acumulación de tales iones.

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Hay un punto interesante en el proceso de síntesis. El hecho es que casi todas las bacterias magnéticamente sensibles sintetizan cristales de magnetita Fe3O4 de casi la misma forma y con una distribución de tamaño estrecha. Y todo esto sucede a temperatura ambiente. No hace mucho tiempo, se descubrió que la unión de iones de hierro involucraba la proteína mms6, más, posiblemente, otras proteínas. Ahora hay varios planes para la síntesis de magnetita a temperatura ambiente a partir de hidróxido de hierro. Y los científicos del Laboratorio Ames y la Universidad Estatal de Iowa (EE. UU.) Fueron aún más lejos: utilizaron la proteína bacteriana mms6 para sintetizar nanocristales de ferrita de cobalto (CoFe2O4), que los organismos vivos no pueden fabricar.

Para lograr este resultado, los autores incluyeron la proteína mencionada anteriormente en la composición del gel, donde sus moléculas individuales se combinaron en grupos. Los grupos se organizaron de cierta manera, formando una matriz para la síntesis de nanocristales. Cuando se añadieron sales de cobalto y hierro (CoCl2 y FeCl2) , se obtuvieron placas de ferrita de cobalto hexagonales delgadas bastante grandes (50-80 nm).

Al final resultó que , este material mostró mejores propiedades magnéticas en comparación con la ferrita de cobalto, que se sintetizó en condiciones similares, pero sin el uso de la proteína mms6.

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Es decir, hay nanocristales magnéticos dentro de la bacteria, además hay una membrana de lipoproteína orgánica en la célula, lo que permitió a los científicos comenzar a planificar el uso de estas bacterias como diversas herramientas. Por ejemplo, para inmovilizar enzimas como la glucosa oxidasa y la uricasa. En el caso de trabajar con bacterias, las enzimas eran 40 más activas que en el caso de trabajar con partículas magnéticas artificiales.

Resultó ser posible utilizar magnetosomas con anticuerpos en su superficie para realizar diversos ensayos inmunosorbentes ligados a enzimas. Entre las variedades de estos análisis se encuentran la determinación de alérgenos y células de cáncer epidermoide. Las partículas magnéticas bacterianas también pueden funcionar con una sustancia fluorescente para detectar células de E. coli.

Ahora, basado en las bacterias magnetosensibles y sus magnetosomas, se está desarrollando un método para el suministro dirigido de medicamentos a varios órganos del cuerpo humano y animal. Usando un imán, los magnetosomas de bacterias con drogas pueden administrarse directamente al objetivo.

Es posible utilizar las características únicas de las bacterias descritas no solo en medicina. Puedes trabajar con ellos y con la electrónica. Por ejemplo, los científicos de la Universidad de Leeds han propuesto su propia tecnología para cultivar cristales de magnetita uniformes en un sustrato utilizando bacterias magnéticamente sensibles. Los científicos japoneses usaron un método similar, solo que decidieron formar con la ayuda de microorganismos la base de nanocables en microcircuitos microscópicamente pequeños. Al crear nanocables, los científicos de Japón usan partículas de sulfuro de cobre e indio y sulfuro de zinc. Tales nanocables se colocan en una capa de lípidos. Los científicos pudieron formar algo así como túbulos a partir de moléculas de lípidos en las que luego se colocan los cables.

Con este método de crecimiento de cristales, las bacterias se disponen en un sustrato de oro en un patrón de tablero de ajedrez. Después de esto, el sustrato se coloca en una solución de sales de hierro. A una temperatura de 80 ° C, se forman nanocristales homogéneos de magnetita en aquellas áreas que estaban recubiertas con bacterias. Tales nanocristales le permiten retener una carga, y el sistema se puede usar para registrar información.


Científicos canadienses del Laboratorio NanoRobotics de la Ecole Polytechnique en Montreal pudieron forzar a las bacterias a construir un pequeño sistema en forma de pirámide. Usando una computadora para controlar la forma y la intensidad del piso magnético, los especialistas pudieron organizar un destacamento de constructores de una colonia de bacterias magnéticamente sensibles. En una serie de experimentos, los expertos lograron la creación de una estructura en forma de pirámide, así como la promoción de bacterias en el sistema circulatorio de una rata viva. En el futuro, los canadienses esperan utilizar la tecnología mediante el comportamiento de las bacterias para crear nanoestructuras más grandes. Quizás las bacterias magnéticamente sensibles pueden formar parte de un sistema más complejo.

Hasta ahora, casi todos los métodos propuestos para trabajar con bacterias magnéticamente sensibles se encuentran en la etapa de pruebas de laboratorio. El hecho es que estos microorganismos crecen relativamente lentamente, lo que significa que su productividad no es muy alta. Por lo tanto, en este momento es más rentable trabajar con métodos fisicoquímicos tradicionales para cultivar los mismos cristales. Pero los métodos para cultivar bacterias magnetotácticas se mejoran constantemente y, por lo tanto, la productividad de las cepas está aumentando.

Para lograr mejores resultados, los científicos proponen el uso de la ingeniería genética.

Source: https://habr.com/ru/post/es400313/