जानवरों की दुनिया में भौतिकी: चुंबकीय रूप से संवेदनशील बैक्टीरिया और उनके कम्पास

1975 में, एक सूक्ष्म जीवविज्ञानी रिचर्ड पी। ब्लाकेमोर ने मैसाचुसेट्स विश्वविद्यालय में एक डिग्री के साथ स्नातक किया और अटलांटिक तट के साथ दलदल से बैक्टीरिया इकट्ठा करना शुरू किया । उन्होंने प्रयोगशाला में चयनित नमूनों का अध्ययन किया, और फिर प्रशिक्षण शिविर में गए। एक बार जब उन्होंने चयनित बैक्टीरिया के तनावों में से एक के एक दिलचस्प व्यवहार की खोज की। तथ्य यह है कि ये बैक्टीरिया हमेशा तरल की एक बूंद के उत्तरी किनारे पर एकत्र होते हैं जिसमें वे एक माइक्रोस्कोप स्लाइड पर थे। उन्होंने अपनी धारणा की जाँच की, और यह पता चला कि बैक्टीरिया वास्तव में लगातार उत्तर की ओर बढ़ रहे हैं।

ब्लैकमोर ने यह समझने का फैसला किया कि लघु जीवधारी, जिनका आकार लंबाई में लगभग दो हजार मिलीमीटर है, कार्डिनल बिंदुओं को निर्धारित करने में सक्षम हैं। सबसे पहले, वैज्ञानिक ने जाँच की कि क्या जीवाणु एक चुंबकीय क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने एक छोटा कम्पास लिया, और इसे एक ग्लास स्लाइड के बगल में रखा जिसमें उसमें तरल और बैक्टीरिया की एक बूंद थी। बैक्टीरिया, इस समय उत्तर को अनदेखा करते हुए, इस चुंबक के चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं की दिशा में बढ़ना शुरू कर दिया।

वैज्ञानिक ने तुरंत महसूस किया कि यह एक चुंबकीय क्षेत्र में था, और किसी और चीज में नहीं। जीवाणुओं के चुंबकत्व का वर्णन करने के लिए, उन्होंने "मैग्नेटोटैक्सिस" शब्द का प्रस्ताव किया। यह ध्यान देने योग्य है कि बाद में, वैज्ञानिकों ने अन्य बैक्टीरिया की खोज की जो एक चुंबकीय क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करते हैं। उनमें से, कभी-कभी, चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं की दिशा में आगे बढ़ने की क्षमता के अलावा कुछ भी सामान्य नहीं है। शब्द "मैग्नेटोटैक्टिक बैक्टीरिया" लाठी, स्पाइरिलोस, वाइब्रियो और अन्य सूक्ष्मजीवों को जोड़ती है।

जैसा कि यह निकला, मैग्नेटाइट के छोटे कण बैक्टीरिया के अंदर संलग्न हैं। प्रत्येक ऐसे कण का आकार प्रत्येक तरफ केवल 50 एनएम है। विभिन्न बैक्टीरिया के लिए, यह या तो मैग्नेटाइट (Fe3O4) या ग्रिगाइट (Fe3O4) के कणिकाओं के दाने हो सकते हैं। ये दाने एक लिपोप्रोटीन झिल्ली से घिरे होते हैं।

जिन अंगों के क्रिस्टल को संश्लेषित किया जाता है, उन्हें मैग्नेटोसम कहा जाता है। बैक्टीरिया के अंदर, उन्हें जंजीरों में जोड़ा जा सकता है, और मैग्नेटोटैक्टिक बैक्टीरिया की कोशिकाओं में उनकी संख्या कई दसियों या सैकड़ों भी हो सकती है (बैक्टीरिया में से एक में, कैंडेटेटस मैग्नेटोबैक्टेर बैवरिकम, एक हजार से अधिक मैग्नेटोसम पाए गए थे)। तो, मैग्नेटाइट और ग्रेगाइट के क्रिस्टल श्रृंखला के साथ ऐसे जीवाणुओं के शरीर में पंक्तिबद्ध होते हैं, जो चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षणों के समानांतर निर्देशित होते हैं। जैसा कि विकिपीडिया हमें बताता है, मैग्नेटोसम - बैक्टीरिया की झिल्ली संरचना एक मैग्नेटोटैक्सिस के साथ बैक्टीरिया की विशेषता है, जिसमें मोनोडोमैन फेरोमैग्नेटिक क्रिस्टल होते हैं। आमतौर पर, एक सेल में 15 और 20 मैग्नेटाइट क्रिस्टल होते हैं, जो एक साथ एक कम्पास सुई के रूप में कार्य करते हैं, जिससे बैक्टीरिया भू-चुंबकीय क्षेत्रों के सापेक्ष नेविगेट करने में मदद करते हैं, और इस तरह अपने पसंदीदा माइक्रोएरोफिलिक निवास स्थान के लिए अपनी खोज को सरल बनाते हैं। मैग्नेटाइट कण यूकेरियोटिक मैग्नेटोटैक्टिक शैवाल में भी पाए जाते हैं, जिनकी कोशिकाओं में कई हजार क्रिस्टल होते हैं।


आमतौर पर, कुल चुंबकीय द्विध्रुवीय क्षण चुंबकीय लाइनों की दिशा में सेल को उन्मुख करने के लिए पर्याप्त होता है। कार्डिनल बिंदुओं के लिए उन्मुख बैक्टीरिया एक या कई फ्लैगेला की मदद से चलते हैं। एक दिलचस्प बात यह है कि मृत कोशिकाएं चुंबकीय क्षेत्र (जीव के शरीर में मैग्नेटोसोम रहते हैं) की तर्ज पर उन्मुख होती हैं, लेकिन स्पष्ट कारणों से वे चलती नहीं हैं।

पृथ्वी के उत्तरी गोलार्ध से मैग्नेटोसेंसिव बैक्टीरिया भू-चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं के समानांतर चलते हैं। इससे सर्वर की दिशा में सूक्ष्म रूप से छोटे जीवों की आवाजाही होती है। उन्हें "उत्तर-साधक" कहा जाता है। लेकिन दक्षिणी गोलार्ध से बैक्टीरिया विपरीत दिशा में आगे बढ़ रहे हैं, उन्हें "दक्षिण-साधक" कहा जाता है। दरअसल, बैक्टीरिया का नाम सवाल नहीं उठाता है। चूँकि चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के वैक्टर दक्षिणी गोलार्ध में और उत्तर में नीचे की ओर निर्देशित होते हैं, इसलिए दोनों "सोपर्स" और "नॉथेथर" की गति हमेशा नीचे की ओर निर्देशित होती है।

वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया की इस विशेषता को इस तथ्य से समझाया है कि उन्हें न्यूनतम ऑक्सीजन एकाग्रता के साथ कीचड़ परतों की आवश्यकता होती है। और अंतरिक्ष में नेविगेट करने की क्षमता इस तथ्य की ओर ले जाती है कि बैक्टीरिया समस्याओं के बिना कम और कम चलते हैं। फिर, वांछित गहराई तक पहुंचने के बाद, वे गाद कणों पर बस जाते हैं। सच है, कई सवाल हैं। उनमें से एक यह है कि वैज्ञानिक अभी तक यह नहीं बता सकते हैं कि कुछ प्रकार के बैक्टीरिया के लिए, एक सेल में सैकड़ों मैग्नेटोसोम क्यों होते हैं। आखिरकार, इन कणों में से कुछ ही अभिविन्यास के लिए पर्याप्त हैं।

इस प्रकार के बैक्टीरिया के अग्रणी रिचर्ड ब्लैकमोर ने कहा कि मैग्नेटोसोम के कई कार्य हो सकते हैं। उनमें से एक सेल में हाइड्रोजन पेरोक्साइड एच 2 ओ 2 के संचय को रोकना है। इस धारणा को नए प्रयोगों द्वारा आंशिक रूप से पुष्टि की गई है, जिससे पता चला है कि मैग्नेटोसोम वास्तव में कोशिका में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों की सामग्री को कम करते हैं। लेकिन पिछले एक से संबंधित एक और सवाल है। तथ्य यह है कि मैग्नेटोसोम्स का संश्लेषण कम ऑक्सीजन एकाग्रता के मामले में ही शुरू होता है। इसके अलावा, शिष्ट लौह आयन के मुक्त रूप बैक्टीरिया के लिए विषाक्त हैं। लेकिन बड़ी संख्या में मैग्नेटोसोम के सेल में संचय से ऐसे आयनों का संचय हो सकता है।

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संश्लेषण प्रक्रिया में एक दिलचस्प बिंदु है। तथ्य यह है कि लगभग सभी चुंबकीय संवेदनशील बैक्टीरिया लगभग समान आकार के और एक संकीर्ण आकार के वितरण के साथ मैग्नेटाइट क्रिस्टल Fe3O4 का संश्लेषण करते हैं। और यह सब कमरे के तापमान पर होता है। बहुत पहले नहीं, यह पाया गया था कि लौह आयनों के बंधन में mms6 प्रोटीन, प्लस, संभवतः, अन्य प्रोटीन शामिल थे। अब लोहे के हाइड्रोक्साइड से कमरे के तापमान पर मैग्नेटाइट के संश्लेषण के लिए कई योजनाएं हैं। और एम्स लेबोरेटरी और आयोवा स्टेट यूनिवर्सिटी (यूएसए) के वैज्ञानिक और भी आगे बढ़े: उन्होंने कोबाल्ट फेराइट (CoFe2O4) के नैनोक क्रिस्टलों के संश्लेषण के लिए बैक्टीरिया प्रोटीन mms6 का उपयोग किया, जो जीवित जीव निर्माण नहीं कर सकते।

इस परिणाम को प्राप्त करने के लिए, लेखकों ने जेल की संरचना में ऊपर उल्लिखित प्रोटीन को शामिल किया, जहां इसके व्यक्तिगत अणुओं को समूहों में जोड़ा गया था। समूहों को एक निश्चित तरीके से व्यवस्थित किया गया था, जो कि नैनोक्रिस्टल के संश्लेषण के लिए एक मैट्रिक्स का गठन किया था। जब कोबाल्ट और लोहे के लवण (CoCl2 और FeCl2) जोड़े गए , बल्कि बड़े (50-80 एनएम) पतले हेक्सागोनल कोबाल्ट फेराइट प्लेट्स प्राप्त हुए ।

जैसा कि यह निकला , इस सामग्री ने कोबाल्ट फेराइट की तुलना में बेहतर चुंबकीय गुण दिखाए, जो समान परिस्थितियों में संश्लेषित किया गया था, लेकिन एमएमएस 6 प्रोटीन के उपयोग के बिना।

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यही है, बैक्टीरिया के अंदर चुंबकीय नैनोक्रिस्टल हैं, साथ ही सेल में एक कार्बनिक लिपोप्रोटीन झिल्ली है, जो वैज्ञानिकों को विभिन्न उपकरणों के रूप में इन जीवाणुओं के उपयोग की योजना बनाना शुरू करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, ग्लूकोज ऑक्सीडेज और यूरिकेज जैसे एंजाइमों को स्थिर करना। बैक्टीरिया के साथ काम करने के मामले में, एंजाइम कृत्रिम चुंबकीय कणों के साथ काम करने के मामले में 40 से अधिक सक्रिय थे।

विभिन्न एंजाइम-लिंक्ड इम्युनोसोर्बेंट assays का संचालन करने के लिए उनकी सतह पर एंटीबॉडी के साथ मैग्नेटोसोम का उपयोग करना संभव हो गया। इन विश्लेषणों की किस्मों में एलर्जी और एपिडर्मॉइड कैंसर कोशिकाओं का निर्धारण है। ई। कोलाई कोशिकाओं का पता लगाने के लिए बैक्टीरियल चुंबकीय कण एक फ्लोरोसेंट पदार्थ के साथ भी काम कर सकते हैं।

अब, मैग्नेटोसेंसिव बैक्टीरिया और उनके मैग्नेटोसोम के आधार पर, मानव और पशु शरीर के विभिन्न अंगों को दवाओं के लक्षित वितरण के लिए एक विधि विकसित की जा रही है । एक चुंबक का उपयोग करके, दवाओं के साथ बैक्टीरिया के मैग्नेटोसोम्स को सीधे लक्ष्य तक पहुंचाया जा सकता है।

न केवल दवा में वर्णित बैक्टीरिया की अनूठी विशेषताओं का उपयोग करना संभव है। आप उनके और इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ काम कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, लीड्स विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने मैग्नेटिक संवेदनशील बैक्टीरिया का उपयोग करते हुए एक सब्सट्रेट पर एक समान मैग्नेटाइट क्रिस्टल बढ़ने के लिए अपनी तकनीक का प्रस्ताव दिया है। जापानी वैज्ञानिकों ने एक समान विधि का उपयोग किया, केवल उन्होंने सूक्ष्मजीवों की मदद से सूक्ष्मजीवों के सूक्ष्मजीवों में नैनोवायरों के लिए आधार बनाने का फैसला किया। नैनोवायर बनाते समय, जापान के वैज्ञानिक तांबे और इंडियम सल्फाइड और जस्ता सल्फाइड के कणों का उपयोग करते हैं। इस तरह के नैनोवायर को लिपिड के एक खोल में रखा जाता है। वैज्ञानिक लिपिड अणुओं से नलिकाओं की तरह कुछ बनाने में सक्षम थे जिसमें तारों को तब रखा जाता है।

बढ़ते क्रिस्टल की इस पद्धति के साथ, बैक्टीरिया को एक चेकबोर्ड पैटर्न में एक सोने के सब्सट्रेट पर व्यवस्थित किया जाता है। इसके बाद, सब्सट्रेट को लोहे के लवण के घोल में रखा जाता है। 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, सजातीय मैग्नेटाइट नैनोक्रिस्टल उन क्षेत्रों में बनते हैं जो बैक्टीरिया से लेपित थे। ऐसे नैनोक्रिस्टल्स आपको चार्ज रखने की अनुमति देते हैं, और सिस्टम का उपयोग जानकारी रिकॉर्ड करने के लिए किया जा सकता है।


मॉन्ट्रियल में इकोले पॉलिटेक्निक के नैनोआरोबोटिक्स प्रयोगशाला के कनाडाई वैज्ञानिक बैक्टीरिया को एक छोटे पिरामिड के आकार की प्रणाली बनाने में सक्षम थे। चुंबकीय तल के आकार और तीव्रता को नियंत्रित करने के लिए कंप्यूटर का उपयोग करते हुए, विशेषज्ञ चुंबकीय रूप से संवेदनशील बैक्टीरिया की एक कॉलोनी से बिल्डरों की टुकड़ी को व्यवस्थित करने में सक्षम थे। प्रयोगों की एक श्रृंखला में, विशेषज्ञों ने एक पिरामिड के रूप में एक संरचना का निर्माण किया है, साथ ही साथ एक जीवित चूहे की संचार प्रणाली में बैक्टीरिया को बढ़ावा दिया है। भविष्य में, कैनेडियन बैक्टीरिया के व्यवहार द्वारा प्रौद्योगिकी का उपयोग करने की उम्मीद करते हैं ताकि बड़े नैनोस्ट्रक्चर बन सकें। शायद चुंबकीय रूप से संवेदनशील बैक्टीरिया एक अधिक जटिल प्रणाली का हिस्सा बन सकते हैं।

अब तक, चुंबकीय संवेदनशील बैक्टीरिया के साथ काम करने के लिए लगभग सभी प्रस्तावित तरीके प्रयोगशाला परीक्षण के चरण में हैं। तथ्य यह है कि ये सूक्ष्मजीव अपेक्षाकृत धीरे-धीरे बढ़ते हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी उत्पादकता बहुत अधिक नहीं है। इसलिए, वर्तमान में समान क्रिस्टल बढ़ने के पारंपरिक भौतिक रासायनिक तरीकों के साथ काम करना अधिक लाभदायक है। लेकिन मैग्नेटोटैक्टिक बैक्टीरिया की खेती के तरीकों में लगातार सुधार हो रहा है, और इसलिए उपभेदों की उत्पादकता बढ़ रही है।

बेहतर परिणाम प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिक आनुवंशिक इंजीनियरिंग के उपयोग का प्रस्ताव देते हैं।

Source: https://habr.com/ru/post/hi400313/