Fisika di dunia hewan: bakteri yang peka terhadap magnet dan kompasnya

Pada tahun 1975, Richard P. Blakemore, seorang ahli mikrobiologi, lulus dengan gelar sarjana di Universitas Massachusetts dan mulai mengumpulkan bakteri dari rawa-rawa di sepanjang pantai Atlantik. Dia mempelajari sampel yang dipilih di laboratorium, dan kemudian pergi ke kamp pelatihan. Suatu ketika ia menemukan perilaku yang menarik dari salah satu strain bakteri terpilih. Faktanya adalah bahwa bakteri ini selalu dikumpulkan di tepi utara setetes cairan di mana mereka berada di slide mikroskop. Dia memeriksa asumsinya, dan ternyata bakteri benar-benar terus ke utara.

Blackmore memutuskan untuk memahami bagaimana miniatur organisme hidup, yang ukurannya sekitar dua ribu milimeter panjangnya, dapat menentukan titik kardinal. Pertama, ilmuwan memeriksa apakah bakteri bereaksi terhadap medan magnet. Dia mengambil kompas kecil, dan meletakkannya di sebelah slide kaca dengan setetes cairan dan bakteri di dalamnya. Bakteri, mengabaikan utara kali ini, mulai bergerak ke arah garis-garis medan magnet magnet ini.

Ilmuwan itu segera menyadari bahwa itu ada di medan magnet, dan bukan di tempat lain. Untuk menggambarkan magnetosensitivitas bakteri, ia mengusulkan istilah "magnetotaxis". Perlu dicatat bahwa kemudian, para ilmuwan menemukan bakteri lain yang bereaksi terhadap medan magnet. Di antara mereka, kadang-kadang, tidak ada kesamaan kecuali kemampuan untuk bergerak ke arah garis-garis medan magnet. Istilah "bakteri magnetotactic" menggabungkan tongkat, spirillo, vibrios dan mikroorganisme lainnya.

Ternyata, partikel kecil magnetit tertutup di dalam bakteri. Ukuran setiap partikel tersebut hanya 50 nm di setiap sisi. Untuk bakteri yang berbeda, dapat berupa butiran magnetit (Fe3O4) atau butiran greigite (Fe3S4). Butiran ini dikelilingi oleh membran lipoprotein.

Organ-organ tempat kristal disintesis disebut magnetosom. Di dalam bakteri, mereka dapat digabungkan dalam rantai, dan dalam sel-sel bakteri magnetotactic jumlahnya dapat beberapa puluh atau bahkan ratusan (dalam salah satu bakteri, Candidatus Magnetobacter bavaricum, lebih dari seribu magnetosom ditemukan). Jadi, kristal magnetit dan greigite berbaris dalam tubuh bakteri seperti itu di sepanjang rantai, dipandu secara paralel oleh momen dipol magnetik. Seperti yang dikatakan Wikipedia, magnetosome - struktur membran karakteristik bakteri dari bakteri dengan magnetotaxis, mengandung kristal feromagnetik monodomain. Biasanya, sel mengandung antara 15 dan 20 kristal magnetit, yang bersama-sama bertindak sebagai jarum kompas, membantu bakteri menavigasi relatif terhadap bidang geomagnetik, dan dengan demikian menyederhanakan pencarian mereka untuk habitat mikroaerofilik favorit mereka. Partikel-partikel magnetit juga ditemukan dalam alga magnetotactic eukariotik, yang sel-selnya mengandung beberapa ribu kristal.


Biasanya, momen dipol magnetik total cukup besar untuk mengarahkan sel ke arah garis magnetik. Bakteri yang berorientasi pada titik-titik kardinal bergerak dengan bantuan satu atau beberapa flagela. Suatu hal yang menarik adalah bahwa sel-sel mati juga berorientasi sepanjang garis medan magnet (magnetosom tetap berada dalam tubuh organisme), tetapi karena alasan yang jelas mereka tidak bergerak.

Bakteri magnetosensitif dari belahan bumi utara bergerak sejajar dengan garis-garis medan geomagnetik. Hal ini mengarah pada pergerakan organisme kecil secara mikroskopis ke arah server. Mereka disebut "pencari utara." Tetapi bakteri dari belahan bumi selatan bergerak ke arah yang berlawanan, mereka disebut "pencari selatan." Sebenarnya, nama-nama bakteri tidak menimbulkan pertanyaan. Karena vektor-vektor garis medan magnet diarahkan ke atas di belahan bumi selatan dan turun di utara, pergerakan "orang selatan" dan "orang utara" selalu diarahkan ke bawah.

Para ilmuwan menjelaskan fitur bakteri ini oleh fakta bahwa mereka membutuhkan lapisan lumpur dengan konsentrasi oksigen minimum. Dan kemampuan untuk bernavigasi di ruang angkasa mengarah pada fakta bahwa bakteri bergerak tanpa masalah semakin rendah. Kemudian, setelah mencapai kedalaman yang diinginkan, mereka menetap di partikel lanau. Benar, ada sejumlah pertanyaan. Salah satunya adalah bahwa para ilmuwan belum dapat menjelaskan mengapa, untuk beberapa jenis bakteri, ratusan magnetosom dalam satu sel. Lagi pula, hanya beberapa partikel ini yang cukup untuk orientasi.

Richard Blackmore, pelopor bakteri jenis ini, mengatakan bahwa magnetosom mungkin memiliki beberapa fungsi. Salah satunya adalah mencegah akumulasi hidrogen peroksida H2O2 di dalam sel. Asumsi ini sebagian dikonfirmasi oleh percobaan baru, yang menunjukkan bahwa magnetosom sebenarnya mengurangi kandungan spesies oksigen reaktif dalam sel. Tetapi ada pertanyaan lain terkait dengan yang sebelumnya. Faktanya adalah bahwa sintesis magnetosom dimulai hanya dalam kasus konsentrasi oksigen rendah. Plus, bentuk bebas dari ion besi divalen adalah racun bagi bakteri. Tetapi akumulasi di dalam sel dari sejumlah besar magnetosom dapat menyebabkan akumulasi ion tersebut.

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

Ada hal yang menarik dalam proses sintesis. Faktanya adalah bahwa hampir semua bakteri yang sensitif secara magnetis mensintesis kristal magnetit Fe3O4 dengan bentuk yang hampir sama dan dengan distribusi ukuran yang sempit. Dan semua ini terjadi pada suhu kamar. Belum lama berselang, ditemukan bahwa pengikatan ion besi melibatkan protein mms6, plus, mungkin, protein lain. Sekarang ada berbagai rencana untuk sintesis magnetit pada suhu kamar dari besi hidroksida. Dan para ilmuwan dari Ames Laboratory dan Iowa State University (USA) melangkah lebih jauh: mereka menggunakan protein bakteri mms6 untuk sintesis nanocrystals dari cobalt ferrite (CoFe2O4), yang tidak dapat diproduksi oleh organisme hidup.

Untuk mencapai hasil ini, penulis memasukkan protein yang disebutkan di atas dalam komposisi gel, di mana masing-masing molekul digabungkan menjadi kelompok-kelompok. Kelompok-kelompok itu diatur dengan cara tertentu, setelah membentuk matriks untuk sintesis nanocrystals. Dengan penambahan garam kobalt dan besi (CoCl2 dan FeCl2) , pelat ferit kobalt heksagonal tipis agak besar (50-80 nm) diperoleh .

Ternyata , bahan ini menunjukkan sifat magnetik yang lebih baik dibandingkan dengan cobalt ferrite, yang disintesis dalam kondisi yang sama, tetapi tanpa menggunakan protein mms6.

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

Artinya, ada nanocrystals magnetik di dalam bakteri, ditambah ada membran lipoprotein organik dalam sel itu sendiri, yang memungkinkan para ilmuwan untuk mulai merencanakan penggunaan bakteri ini sebagai berbagai alat. Misalnya, untuk melumpuhkan enzim seperti glukosa oksidase dan uricase. Dalam kasus bekerja dengan bakteri, enzim 40 lebih aktif daripada dalam kasus bekerja dengan partikel magnetik buatan.

Ternyata dimungkinkan untuk menggunakan magnetosom dengan antibodi pada permukaannya untuk melakukan berbagai tes imunosorben terkait-enzim. Di antara varietas analisis ini adalah penentuan alergen dan sel kanker epidermoid. Partikel magnetik bakteri juga dapat bekerja dengan zat berfluoresensi untuk mendeteksi sel E.coli.

Sekarang, berdasarkan bakteri magnetosensitif dan magnetosomnya, sebuah metode sedang dikembangkan untuk pengiriman obat yang ditargetkan ke berbagai organ tubuh manusia dan hewan. Menggunakan magnet, magnetosom bakteri dengan obat dapat dikirim langsung ke target.

Dimungkinkan untuk menggunakan fitur unik dari bakteri yang dijelaskan tidak hanya dalam pengobatan. Anda dapat bekerja dengan mereka dan elektronik. Sebagai contoh, para ilmuwan dari University of Leeds telah mengusulkan teknologi mereka sendiri untuk menumbuhkan kristal magnetit yang seragam pada substrat menggunakan bakteri yang sensitif secara magnetis. Ilmuwan Jepang menggunakan metode yang sama, hanya mereka memutuskan untuk membentuk dengan bantuan mikroorganisme dasar untuk kawat nano di mikrosirkuit kecil mikro. Saat membuat kawat nano, para ilmuwan dari Jepang menggunakan partikel dari tembaga dan indium sulfida dan seng sulfida. Kawat nano semacam itu ditempatkan dalam cangkang lipid. Para ilmuwan mampu membentuk sesuatu seperti tubulus dari molekul lipid di mana kabel kemudian ditempatkan.

Dengan metode menumbuhkan kristal ini, bakteri tersusun di atas substrat emas dalam pola kotak-kotak. Setelah ini, substrat ditempatkan dalam larutan garam besi. Pada suhu 80 ° C, nanocrystals magnetit homogen terbentuk di daerah-daerah yang dilapisi dengan bakteri. Nanocrystals semacam itu memungkinkan Anda menahan muatan, dan sistem dapat digunakan untuk merekam informasi.


Ilmuwan Kanada dari Laboratorium NanoRobotics dari Ecole Polytechnique di Montreal mampu memaksa bakteri untuk membangun sistem berbentuk piramida kecil. Menggunakan komputer untuk mengontrol bentuk dan intensitas lantai magnetik, spesialis dapat mengatur detasemen pembangun dari koloni bakteri yang peka terhadap magnet. Selama serangkaian percobaan, spesialis mencapai penciptaan struktur berbentuk piramida, serta promosi bakteri dalam sistem peredaran darah tikus hidup. Di masa depan, warga Kanada berharap untuk menggunakan teknologi dengan perilaku bakteri untuk membuat struktur nano yang lebih besar. Mungkin bakteri yang sensitif secara magnetis dapat menjadi bagian dari sistem yang lebih kompleks.

Sejauh ini, hampir semua metode yang diusulkan untuk bekerja dengan bakteri yang peka terhadap magnet berada pada tahap pengujian laboratorium. Faktanya adalah mikroorganisme ini tumbuh relatif lambat, yang berarti produktivitasnya tidak terlalu tinggi. Oleh karena itu, saat ini lebih menguntungkan untuk bekerja dengan metode fisikokimia tradisional dengan menumbuhkan kristal yang sama. Tetapi metode untuk membudidayakan bakteri magnetotaktik terus ditingkatkan, dan karenanya produktivitas strain meningkat.

Untuk mencapai hasil yang lebih baik, para ilmuwan mengusulkan penggunaan rekayasa genetika.

Source: https://habr.com/ru/post/id400313/