Física no mundo animal: bactérias magneticamente sensíveis e sua bússola

Em 1975, Richard P. Blakemore, um microbiologista, se formou na Universidade de Massachusetts e começou a coletar bactérias dos pântanos ao longo da costa atlântica. Ele estudou as amostras selecionadas no laboratório e depois foi novamente para o campo de treinamento. Uma vez ele descobriu um comportamento interessante de uma das cepas de bactérias selecionadas. O fato é que essas bactérias sempre coletavam na borda norte de uma gota de líquido em que estavam em uma lâmina de microscópio. Ele checou sua suposição, e descobriu-se que as bactérias estão realmente constantemente indo para o norte.

Blackmore decidiu entender como organismos vivos em miniatura, cujo tamanho tem cerca de dois milésimos de milímetro de comprimento, são capazes de determinar os pontos cardeais. Primeiro, o cientista verificou se as bactérias reagem a um campo magnético. Ele pegou uma pequena bússola e colocou-a ao lado de uma lâmina de vidro com uma gota de líquido e bactérias. As bactérias, ignorando desta vez o norte, começaram a se mover na direção das linhas do campo magnético desse ímã.

O cientista percebeu imediatamente que estava em um campo magnético, e não em mais nada. Para descrever a magnetosensibilidade das bactérias, ele propôs o termo "magnetotaxia". Vale a pena notar que, mais tarde, os cientistas descobriram outras bactérias que reagem a um campo magnético. Entre eles, às vezes, não há nada em comum, exceto a capacidade de se mover na direção das linhas do campo magnético. O termo "bactérias magnetotáticas" combina paus, espirillos, vibrios e outros microorganismos.

Como se viu, pequenas partículas de magnetita são encerradas dentro das bactérias. O tamanho de cada partícula é de apenas 50 nm de cada lado. Para bactérias diferentes, pode ser grânulos de magnetita (Fe3O4) ou grânulos de greigita (Fe3S4). Estes grânulos são cercados por uma membrana lipoproteína.

Os órgãos onde os cristais são sintetizados são chamados magnetossomas. No interior das bactérias, elas podem ser combinadas em cadeias e, nas células das bactérias magnetotáticas, seu número pode ser de várias dezenas ou até centenas (em uma das bactérias, Candidatus Magnetobacter bavaricum, foram encontrados mais de mil magnetossomas). Assim, os cristais de magnetita e greigita se alinham no corpo de tais bactérias ao longo da cadeia, sendo guiados em paralelo por momentos de dipolo magnético. Como a Wikipedia nos diz, magnetossoma - a estrutura de membrana de bactérias característica de bactérias com magnetotaxia, contendo cristais ferromagnéticos monodomain. Normalmente, uma célula contém entre 15 e 20 cristais de magnetita, que juntos atuam como uma agulha de bússola, ajudando as bactérias a navegar em relação aos campos geomagnéticos e, assim, simplificando sua busca pelo seu habitat microaerofílico favorito. Partículas de magnetita também são encontradas em algas magnetotáticas eucarióticas, cujas células contêm vários milhares de cristais.


Normalmente, o momento dipolar magnético total é grande o suficiente para orientar a célula na direção das linhas magnéticas. As bactérias orientadas para os pontos cardeais se movem com a ajuda de um ou vários flagelos. Um ponto interessante é que as células mortas também são orientadas ao longo das linhas do campo magnético (os magnetossomas permanecem no corpo do organismo), mas, por razões óbvias, elas não se movem.

As bactérias magnetosensíveis do hemisfério norte da Terra se movem paralelamente às linhas do campo geomagnético. Isso leva ao movimento de organismos microscopicamente pequenos na direção do servidor. Eles são chamados de "buscadores do norte". Mas as bactérias do hemisfério sul estão se movendo na direção oposta, são chamadas de "buscadoras do sul". Na verdade, o nome da bactéria não levanta questões. Como os vetores das linhas do campo magnético são direcionados para cima no hemisfério sul e para baixo no norte, o movimento de "sulistas" e "nortistas" é sempre direcionado para baixo.

Os cientistas explicam esse recurso das bactérias pelo fato de precisarem de camadas de lodo com uma concentração mínima de oxigênio. E a capacidade de navegar no espaço leva ao fato de que as bactérias se movem sem problemas mais e mais. Depois de atingir a profundidade desejada, eles se depositam nas partículas de lodo. É verdade que há uma série de perguntas. Uma delas é que os cientistas ainda não conseguem explicar por que, para alguns tipos de bactérias, centenas de magnetossomas em uma célula. Afinal, apenas algumas dessas partículas são suficientes para orientação.

Richard Blackmore, o pioneiro desse tipo de bactéria, disse que os magnetossomas podem ter várias funções. Uma delas é impedir o acúmulo de peróxido de hidrogênio H2O2 na célula. Essa suposição é parcialmente confirmada por novos experimentos, que mostraram que os magnetossomas realmente reduzem o conteúdo de espécies reativas de oxigênio na célula. Mas há outra questão relacionada à anterior. O fato é que a síntese de magnetossomas começa apenas no caso de uma baixa concentração de oxigênio. Além disso, as formas livres do íon de ferro divalente são tóxicas para as bactérias. Mas o acúmulo na célula de um grande número de magnetossomas pode levar ao acúmulo desses íons.

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Há um ponto interessante no processo de síntese. O fato é que quase todas as bactérias magneticamente sensíveis sintetizam cristais de magnetita Fe3O4 quase da mesma forma e com uma distribuição de tamanho estreita. E tudo isso acontece à temperatura ambiente. Não faz muito tempo, verificou-se que a ligação de íons ferro envolvia a proteína mms6, além de, possivelmente, outras proteínas. Agora, existem vários planos para a síntese de magnetita à temperatura ambiente a partir do hidróxido de ferro. E cientistas do Laboratório Ames e da Universidade Estadual de Iowa (EUA) foram ainda mais longe: eles usaram a proteína bacteriana mms6 para a síntese de nanocristais de ferrita de cobalto (CoFe2O4), que os organismos vivos não podem fabricar.

Para alcançar esse resultado, os autores incluíram a proteína mencionada acima na composição do gel, onde suas moléculas individuais foram combinadas em grupos. Os grupos foram organizados de uma certa maneira, formando uma matriz para a síntese de nanocristais. Quando sais de cobalto e ferro (CoCl2 e FeCl2) foram adicionados , foram obtidas placas hexagonais finas de ferrite de cobalto finas (50-80 nm).

Como se viu , esse material mostrou melhores propriedades magnéticas em comparação com a ferrita de cobalto, que foi sintetizada em condições semelhantes, mas sem o uso da proteína mms6.

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Ou seja, existem nanocristais magnéticos dentro das bactérias, além de uma membrana orgânica de lipoproteínas na própria célula, que permitiu aos cientistas começar a planejar o uso dessas bactérias como várias ferramentas. Por exemplo, para imobilizar enzimas como glicose oxidase e uricase. No caso de trabalhar com bactérias, as enzimas eram 40 mais ativas do que no caso de trabalhar com partículas magnéticas artificiais.

Foi possível usar magnetossomas com anticorpos em sua superfície para realizar vários ensaios imunossorventes ligados a enzimas. Entre as variedades dessas análises estão a determinação de alérgenos e células cancerígenas epidermóides. As partículas magnéticas bacterianas também podem trabalhar com uma substância fluorescente para detectar células de E. coli.

Agora, com base em bactérias magnetosensíveis e seus magnetossomas, um método está sendo desenvolvido para a entrega direcionada de medicamentos a vários órgãos do corpo humano e animal. Usando um ímã, os magnetossomas de bactérias com medicamentos podem ser entregues diretamente ao alvo.

É possível usar os recursos exclusivos das bactérias descritas não apenas na medicina. Você pode trabalhar com eles e eletrônicos. Por exemplo, cientistas da Universidade de Leeds propuseram sua própria tecnologia para o cultivo de cristais uniformes de magnetita em um substrato usando bactérias magneticamente sensíveis. Os cientistas japoneses usaram um método semelhante, mas eles decidiram formar com a ajuda de microrganismos a base para os nanofios em microcircuitos microscopicamente pequenos. Ao criar nanofios, cientistas do Japão usam partículas de cobre e sulfeto de índio e sulfeto de zinco. Tais nanofios são colocados em uma concha de lipídios. Os cientistas foram capazes de formar algo como túbulos a partir de moléculas lipídicas nas quais os fios são então colocados.

Com esse método de cultivo de cristais, as bactérias são dispostas em um substrato de ouro em um padrão quadriculado. Depois disso, o substrato é colocado em uma solução de sais de ferro. A uma temperatura de 80 ° C, nanocristais homogêneos de magnetita são formados nas áreas que foram revestidas com bactérias. Esses nanocristais permitem manter uma carga, e o sistema pode ser usado para registrar informações.


Cientistas canadenses do Laboratório de NanoRobotics da Ecole Polytechnique em Montreal foram capazes de forçar as bactérias a construir um pequeno sistema em forma de pirâmide. Usando um computador para controlar a forma e a intensidade do piso magnético, os especialistas conseguiram organizar um destacamento de construtores de uma colônia de bactérias magneticamente sensíveis. Durante uma série de experimentos, os especialistas conseguiram a criação de uma estrutura em forma de pirâmide, bem como a promoção de bactérias no sistema circulatório de um rato vivo. No futuro, os canadenses esperam usar a tecnologia pelo comportamento das bactérias para criar nanoestruturas maiores. Talvez bactérias magneticamente sensíveis possam se tornar parte de um sistema mais complexo.

Até o momento, quase todos os métodos propostos para trabalhar com bactérias magneticamente sensíveis estão na fase de testes de laboratório. O fato é que esses microorganismos crescem relativamente lentamente, o que significa que sua produtividade não é muito alta. Portanto, no momento é mais lucrativo trabalhar com métodos físico-químicos tradicionais de cultivo dos mesmos cristais. Mas os métodos para o cultivo de bactérias magnetotáticas estão sendo constantemente aprimorados e, portanto, a produtividade das cepas está aumentando.

Para alcançar melhores resultados, os cientistas propõem o uso da engenharia genética.

Source: https://habr.com/ru/post/pt400313/