La physique dans le monde animal: les bactéries magnétiquement sensibles et leur boussole

En 1975, Richard P. Blakemore, microbiologiste, a obtenu un diplôme à l'Université du Massachusetts et a commencé à collecter des bactéries dans les marais le long de la côte atlantique. Il a étudié les échantillons sélectionnés dans le laboratoire, puis s'est de nouveau rendu au camp d'entraînement. Une fois, il a découvert un comportement intéressant de l'une des souches de bactéries sélectionnées. Le fait est que ces bactéries se sont toujours rassemblées sur le bord nord d'une goutte de liquide dans laquelle elles se trouvaient sur une lame de microscope. Il a vérifié son hypothèse et il s'est avéré que les bactéries se dirigent vraiment constamment vers le nord.

Blackmore a décidé de comprendre comment les organismes vivants miniatures, dont la taille est d'environ deux millièmes de millimètre, peuvent déterminer les points cardinaux. Tout d'abord, le scientifique a vérifié si les bactéries réagissaient à un champ magnétique. Il a pris une petite boussole et l'a placée à côté d'une lame de verre avec une goutte de liquide et de bactéries. Les bactéries, ignorant cette fois le nord, ont commencé à se déplacer dans la direction des lignes du champ magnétique de cet aimant.

Le scientifique s'est immédiatement rendu compte que c'était dans un champ magnétique, et pas dans autre chose. Afin de décrire la magnétosensibilité des bactéries, il a proposé le terme «magnétotaxie». Il convient de noter que plus tard, les scientifiques ont découvert d'autres bactéries qui réagissent à un champ magnétique. Parmi eux, parfois, il n'y a rien de commun sauf la capacité de se déplacer dans le sens des lignes du champ magnétique. Le terme «bactéries magnétotactiques» combine des bâtons, des spirillos, des vibrions et d'autres micro-organismes.

Il s'est avéré que de minuscules particules de magnétite sont enfermées à l'intérieur des bactéries. La taille de chacune de ces particules n'est que de 50 nm de chaque côté. Pour différentes bactéries, il peut s'agir de granules de magnétite (Fe3O4) ou de granules de greigite (Fe3S4). Ces granules sont entourés d'une membrane lipoprotéique.

Les organes où les cristaux sont synthétisés sont appelés magnétosomes. À l'intérieur des bactéries, ils peuvent être combinés en chaînes, et dans les cellules des bactéries magnétotactiques, leur nombre peut être de plusieurs dizaines, voire des centaines (dans l'une des bactéries, Candidatus Magnetobacter bavaricum, plus d'un millier de magnétosomes ont été trouvés). Ainsi, les cristaux de magnétite et de greigite s'alignent dans le corps de ces bactéries le long de la chaîne, guidés en parallèle par des moments dipolaires magnétiques. Comme nous le dit Wikipedia, magnétosome - la structure membranaire des bactéries caractéristique des bactéries à magnétotaxie, contenant des cristaux ferromagnétiques monodomaines. En règle générale, une cellule contient entre 15 et 20 cristaux de magnétite, qui agissent ensemble comme une aiguille de boussole, aidant les bactéries à naviguer par rapport aux champs géomagnétiques, et simplifiant ainsi leur recherche de leur habitat microaérophile préféré. Des particules de magnétite se trouvent également dans les algues magnétotactiques eucaryotes, dont les cellules contiennent plusieurs milliers de cristaux.


Habituellement, le moment dipolaire magnétique total est suffisamment grand pour orienter la cellule dans la direction des lignes magnétiques. Les bactéries orientées vers les points cardinaux se déplacent à l'aide d'un ou plusieurs flagelles. Un point intéressant est que les cellules mortes sont également orientées le long des lignes du champ magnétique (les magnétosomes restent dans le corps de l'organisme), mais pour des raisons évidentes, elles ne bougent pas.

Les bactéries magnétosensibles de l'hémisphère nord de la Terre se déplacent parallèlement aux lignes du champ géomagnétique. Cela entraîne le mouvement d'organismes microscopiquement petits en direction du serveur. Ils sont appelés «demandeurs du nord». Mais les bactéries de l'hémisphère sud se déplacent dans la direction opposée, elles sont appelées «chercheurs du sud». En fait, le nom de la bactérie ne pose pas de question. Puisque les vecteurs des lignes de champ magnétique sont dirigés vers le haut dans l'hémisphère sud et vers le bas dans le nord, le mouvement des «sudistes» et des «nordistes» est toujours dirigé vers le bas.

Les scientifiques expliquent cette caractéristique des bactéries par le fait qu'elles ont besoin de couches de boues avec une concentration minimale en oxygène. Et la capacité de naviguer dans l'espace conduit au fait que les bactéries se déplacent sans problème de plus en plus bas. Puis, ayant atteint la profondeur souhaitée, ils se déposent sur des particules de limon. Certes, il y a un certain nombre de questions. L'un d'eux est que les scientifiques ne peuvent pas encore expliquer pourquoi, pour certains types de bactéries, des centaines de magnétosomes dans une cellule. Après tout, seules quelques-unes de ces particules sont suffisantes pour l'orientation.

Richard Blackmore, le pionnier de ce type de bactéries, a déclaré que les magnétosomes peuvent avoir plusieurs fonctions. L'un d'eux est d'empêcher l'accumulation de peroxyde d'hydrogène H2O2 dans la cellule. Cette hypothèse est partiellement confirmée par de nouvelles expériences, qui ont montré que les magnétosomes réduisent réellement la teneur en espèces réactives de l'oxygène dans la cellule. Mais il y a une autre question liée à la précédente. Le fait est que la synthèse des magnétosomes ne commence que dans le cas d'une faible concentration en oxygène. De plus, les formes libres de l'ion fer divalent sont toxiques pour les bactéries. Mais l'accumulation dans la cellule d'un grand nombre de magnétosomes peut conduire à l'accumulation de tels ions.

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Il y a un point intéressant dans le processus de synthèse. Le fait est que presque toutes les bactéries magnétiquement sensibles synthétisent des cristaux de magnétite Fe3O4 de presque la même forme et avec une distribution de taille étroite. Et tout cela se passe à température ambiante. Il n'y a pas si longtemps, il a été constaté que la liaison des ions fer impliquait la protéine mms6, ainsi que, éventuellement, d'autres protéines. Il existe maintenant divers plans pour la synthèse de magnétite à température ambiante à partir d'hydroxyde de fer. Mais les scientifiques de l'Ames Laboratory et de l'Iowa State University (USA) sont allés plus loin: ils ont utilisé la protéine bactérienne mms6 pour la synthèse de nanocristaux de ferrite de cobalt (CoFe2O4), que les organismes vivants ne peuvent pas fabriquer.

Afin d'atteindre ce résultat, les auteurs ont inclus la protéine mentionnée ci-dessus dans la composition du gel, où ses molécules individuelles ont été combinées en groupes. Les groupes étaient disposés d'une certaine manière, ayant formé une matrice pour la synthèse des nanocristaux. Lorsque du cobalt et des sels de fer (CoCl2 et FeCl2) ont été ajoutés , des plaques hexagonales en ferrite de cobalt plutôt grandes (50-80 nm) ont été obtenues .

En fin de compte , ce matériau a montré de meilleures propriétés magnétiques par rapport à la ferrite de cobalt, qui a été synthétisée dans des conditions similaires, mais sans l'utilisation de la protéine mms6.

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Autrement dit, il y a des nanocristaux magnétiques à l'intérieur des bactéries, plus une membrane lipoprotéique organique dans la cellule elle-même, ce qui a permis aux scientifiques de commencer à planifier l'utilisation de ces bactéries comme divers outils. Par exemple, pour immobiliser des enzymes telles que la glucose oxydase et l'uricase. Dans le cas du travail avec des bactéries, les enzymes étaient 40 plus actives que dans le cas du travail avec des particules magnétiques artificielles.

Il s'est avéré possible d'utiliser des magnétosomes avec des anticorps à leur surface pour effectuer divers tests immunosorbants liés à des enzymes. Parmi les variétés de ces analyses figurent la détermination des allergènes et des cellules cancéreuses épidermoïdes. Les particules magnétiques bactériennes peuvent également fonctionner avec une substance fluorescente pour détecter les cellules d'E. Coli.

Maintenant, basé sur les bactéries magnétosensibles et leurs magnétosomes, une méthode est en cours de développement pour la livraison ciblée de médicaments à divers organes du corps humain et animal. À l'aide d'un aimant, les magnétosomes des bactéries contenant des médicaments peuvent être délivrés directement à la cible.

Il est possible d'utiliser les caractéristiques uniques des bactéries décrites non seulement en médecine. Vous pouvez travailler avec eux et l'électronique. Par exemple, des scientifiques de l'Université de Leeds ont proposé leur propre technologie pour la croissance de cristaux de magnétite uniformes sur un substrat à l'aide de bactéries magnétiquement sensibles. Les scientifiques japonais ont utilisé une méthode similaire, mais ils ont décidé de former à l'aide de micro-organismes la base des nanofils dans des microcircuits microscopiquement petits. Lors de la création de nanofils, les scientifiques japonais utilisent des particules de sulfure de cuivre et d'indium et de sulfure de zinc. Ces nanofils sont placés dans une coquille de lipides. Les scientifiques ont pu former quelque chose comme des tubules à partir de molécules lipidiques dans lesquelles les fils sont ensuite placés.

Avec cette méthode de croissance des cristaux, les bactéries sont disposées sur un substrat d'or en damier. Après cela, le substrat est placé dans une solution de sels de fer. À une température de 80 ° C, des nanocristaux de magnétite homogènes se forment dans les zones recouvertes de bactéries. Ces nanocristaux vous permettent de tenir une charge, et le système peut être utilisé pour enregistrer des informations.


Des scientifiques canadiens du Laboratoire de nano-robotique de l'École polytechnique de Montréal ont réussi à forcer des bactéries à construire un petit système en forme de pyramide. À l'aide d'un ordinateur pour contrôler la forme et l'intensité du sol magnétique, les spécialistes ont pu organiser un détachement de constructeurs d'une colonie de bactéries magnétiquement sensibles. Dans une série d'expériences, les experts ont réalisé la création d'une structure sous la forme d'une pyramide, ainsi que la promotion des bactéries dans le système circulatoire d'un rat vivant. À l'avenir, les Canadiens espèrent utiliser la technologie par le comportement des bactéries pour créer des nanostructures plus grandes. Peut-être que les bactéries magnétiquement sensibles peuvent faire partie d'un système plus complexe.

Jusqu'à présent, presque toutes les méthodes proposées pour travailler avec des bactéries magnétiquement sensibles sont au stade des tests en laboratoire. Le fait est que ces micro-organismes se développent relativement lentement, ce qui signifie que leur productivité n'est pas très élevée. Par conséquent, pour le moment, il est plus rentable de travailler avec des méthodes physicochimiques traditionnelles de croissance des mêmes cristaux. Mais les méthodes de culture des bactéries magnétotactiques sont constamment améliorées, et donc la productivité des souches augmente.

Afin d'obtenir de meilleurs résultats, les scientifiques proposent l'utilisation du génie génétique.

Source: https://habr.com/ru/post/fr400313/