🐺 🚡 🌲 动物界的物理学：磁敏感细菌及其罗盘 ❗️ 📣 🔔

1975年，微生物学家Richard P. Blakemore毕业于马萨诸塞州大学，获得学位，并开始从大西洋沿岸的沼泽地中收集细菌。他在实验室研究了选定的样品，然后再次去了训练营。一旦他发现一种选定细菌菌株的有趣行为。事实是，这些细菌总是聚集在显微镜载玻片上的一滴液滴的北边缘。他检查了自己的假设，结果发现细菌确实一直在向北移动。

布莱克莫尔决定了解微型生物如何确定基点，微型生物的大小约为千分之二毫米。首先，科学家检查细菌是否对磁场起反应。他拿着一个小指南针，将其放在载有液体和细菌的载玻片旁边。细菌，这次忽略了北方，开始朝该磁铁磁场线的方向移动。

科学家立刻意识到它是在磁场中，而不是其他任何东西。为了描述细菌的磁敏性，他提出了术语“趋磁性”。值得注意的是，后来，科学家发现了对磁场起反应的其他细菌。在它们之中，有时除了在磁场线的方向上移动的能力外没有其他共同之处。术语“趋磁细菌”结合了棍棒，螺旋形菌，弧菌和其他微生物。

事实证明，细小的磁铁矿颗粒被包裹在细菌内部。每个这样的粒子的大小在每一侧仅50 nm。对于不同的细菌，它可以是磁铁矿颗粒（Fe3O4）或钙铁矿颗粒（Fe3S4）。这些颗粒被脂蛋白膜包围。

合成晶体的器官称为磁小体。在细菌内部，它们可以链状结合，而在趋磁细菌的细胞中，它们的数目可以是几十甚至数百（在一种细菌中，巴氏念珠菌，发现了上千个磁小体）。因此，磁铁矿和辉绿岩的晶体沿着这种链在细菌体内排列，并受到磁偶极矩的平行引导。维基百科告诉我们磁小体-细菌的膜结构，是含有趋磁性的细菌的特征，含有单畴铁磁晶体。通常，一个细胞包含15至20个磁铁矿晶体，它们共同起指南针的作用，帮助细菌相对于地磁场进行导航，从而简化了对它们最喜欢的微需氧性生境的搜索。在真核趋磁藻类中还发现了磁铁矿颗粒，其细胞中包含数千个晶体。

通常，总磁偶极矩足够大，可以使单元沿磁力线方向定向。朝向基点的细菌在一个或几个鞭毛的帮助下移动。有趣的一点是，死细胞也沿磁场线定向（磁小体保留在生物体内），但出于明显的原因，它们不会移动。

来自地球北半球的磁敏细菌平行于地磁场线移动。这导致微观的小生物沿服务器的方向移动。他们被称为“北求”。但是来自南半球的细菌却朝着相反的方向运动，它们被称为“南寻星者”。实际上，细菌的名称不会引起任何疑问。由于磁场线的矢量在南半球向上而在北部向下，因此“南方人”和“北方人”的运动始终朝下。

科学家通过以下事实来解释细菌的这一特征：细菌需要具有最低氧气浓度的污泥层。而且，在太空中航行的能力导致细菌移动的问题越来越少。然后，达到所需深度后，它们会沉降在淤泥颗粒上。没错，有很多问题。其中之一是，科学家尚无法解释为什么对于某些类型的细菌，一个细胞中会有数百个磁小体。毕竟，这些粒子中只有少数足以定向。

这种细菌的先驱理查德·布莱克莫尔（Richard Blackmore）说，磁小体可能具有多种功能。其中之一是防止过氧化氢H2O2在电池中积聚。新的实验部分证实了这一假设，该实验表明，磁小体实际上会减少细胞中活性氧的含量。但是还有一个与前一个问题有关的问题。事实是，磁小体的合成仅在低氧浓度的情况下才开始。另外，游离形式的二价铁离子对细菌有毒。但是大量磁小体在细胞中的积累会导致这些离子的积累。

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合成过程中有一个有趣的观点。事实是，几乎所有的磁敏细菌都能合成形状几乎相同且尺寸分布窄的磁铁矿晶体Fe3O4。所有这些都是在室温下发生的。不久之前，发现铁离子的结合涉及mms6蛋白，可能还涉及其他蛋白。现在有各种计划在室温下由氢氧化铁合成磁铁矿。来自艾姆斯实验室和爱荷华州立大学（美国）的科学家走得更远：他们使用细菌蛋白mms6合成了生物无法生产的钴铁氧体（CoFe2O4）纳米晶体。

为了获得此结果，作者将上述蛋白质包括在凝胶的组成中，其中单个分子被组合成组。这些基团以某种方式排列，形成了用于合成纳米晶体的基质。通过添加钴盐和铁盐（CoCl2和FeCl2），获得了相当大（50-80 nm）的薄六角形六方钴铁氧体板。

事实证明，与在相似条件下合成但未使用mms6蛋白的钴铁氧体相比，该材料显示出更好的磁性。

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就是说，细菌内部有磁性纳米晶体，而细胞本身也有有机脂蛋白膜，这使科学家们可以开始计划将这些细菌用作各种工具。例如，固定化酶，例如葡萄糖氧化酶和尿酸酶。在使用细菌的情况下，酶的活性比在使用人造磁性颗粒的情况下高40倍。

事实证明，可以使用在其表面带有抗体的磁小体进行各种酶联免疫吸附测定。这些分析包括变应原和表皮癌细胞的测定。细菌磁性颗粒还可以与荧光物质一起检测大肠杆菌细胞。

现在，基于磁敏细菌及其磁小体，正在开发一种用于将药物靶向输送到人体和动物体各个器官的方法。使用磁体，细菌与药物的磁小体可以直接传递到目标。

不仅在医学中，有可能使用所描述的细菌的独特特征。您可以与他们和电子产品一起工作。例如，利兹大学的科学家提出了他们自己的技术，该技术利用磁敏细菌在基底上生长均匀的磁铁矿晶体。日本科学家使用了类似的方法，只是他们决定借助微生物来形成微小的微型电路中纳米线的基础。日本科学家在制作纳米线时会使用铜，硫化铟和硫化锌中的颗粒。这样的纳米线被放置在脂质的壳中。科学家们能够从脂质分子形成类似小管的东西，然后将电线放入其中。

通过这种生长晶体的方法，细菌以棋盘状图案排列在金基底上。此后，将基板置于铁盐溶液中。在80°C的温度下，均匀的磁铁矿纳米晶体在被细菌覆盖的区域形成。此类纳米晶体可让您保持电荷，并且该系统可用于记录信息。

来自蒙特利尔高等理工学院的纳米机器人实验室的加拿大科学家能够迫使细菌建立一个小的金字塔形系统。使用计算机来控制磁性地板的形状和强度，专家们能够组织建造者脱离一群对磁性敏感的细菌。在一系列实验中，专家们实现了金字塔结构的创建，以及活体大鼠循环系统中细菌的繁殖。将来，加拿大人希望通过细菌的行为利用技术来制造更大的纳米结构。磁敏感细菌可能会成为更复杂系统的一部分。

到目前为止，几乎所有提议的用于处理磁敏感细菌的方法都处于实验室测试阶段。事实是这些微生物生长相对较慢，这意味着它们的生产率不是很高。因此，目前，使用生长相同晶体的传统物理化学方法进行工作更有利可图。但是，用于培养趋磁细菌的方法在不断地改进，因此菌株的生产率正在提高。

为了获得更好的结果，科学家们建议使用基因工程。

动物界的物理学：磁敏感细菌及其罗盘

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