Физика в мире животных: магниточувствительные бактерии и их компас
В 1975 году микробиолог Ричард Блекмор (Richard P. Blakemore), получив диплом специалиста в Массачусетском университете, занялся сбором бактерий из болот, которые расположены вдоль Атлантического побережья. Отобранные образцы он изучал в лаборатории, а затем снова отправлялся на сборы. Однажды он обнаружил интересное поведение одного из штаммов отобранных бактерий. Дело в том, что эти бактерии всегда собирались на северном краю капли жидкости, в которой они находились на предметном стекле микроскопа. Он проверил свое предположение, и оказалось, что бактерии действительно постоянно стремятся на север.
Блекмор решил понять, каким образом миниатюрные живые организмы, размер которых составляет около двух тысячных миллиметра в длину, умеют определять стороны света. Сначала ученый проверил, реагируют ли бактерии на магнитное поле. Он взял небольшой компас, и поместил его рядом с предметным стеклом с каплей жидкости и бактериями в ней. Бактерии, проигнорировав на этот раз север, начали двигаться в направлении линий магнитного поля этого магнита.
Ученый сразу понял, что дело именно в магнитном поле, а не в чем-либо еще. Для того, чтобы описать магниточувствительность бактерий, он предложил термин «магнитотаксис». Стоит отметить, что уже позже ученые обнаружили и других бактерий, которые реагируют на магнитное поле. Среди них, порой, нет ничего общего, кроме способности двигаться по направлению линий магнитного поля. Термин «магнитотактические бактерии» объединяет палочек, спирилл, вибрионов и другие микроорганизмы.
Как оказалось, внутри бактерии заключен крошечные частицы магнетита. Размер каждой такой частицы составляет всего 50 нм с каждой стороны. У разных бактерий это могут быть либо гранулы магнетита (Fe3O4) либо же гранулы грейгита (Fe3S4). Эти гранулы окружены липопротеиновой мембраной.
Органы, где синтезируются кристаллы, носят название магнетосомы. Внутри бактерий они могут быть объединены в цепочки, а в клетках магнитотактических бактерий их число может насчитывать несколько десятков или даже сотен (у одной из бактерий, Candidatus Magnetobacter bavaricum, обнаружено свыше тысячи магнетосом). Так вот, кристаллы магнетита и грейгита выстраиваются в организме таких бактерий вдоль цепочки, ориентируясь параллельно магнитными дипольными моментами. Как говорит нам «Википедия», магнетосома — мембранная структура бактерий, характерная для обладающих магнитотаксисом бактерий, содержащая монодоменные ферромагнитные кристаллы. Обычно в клетке содержится от 15 до 20 кристаллов магнетита, которые вместе действуют как игла компаса, помогая бактерии ориентироваться относительно геомагнитных полей, и таким образом упрощая им поиск их излюбленной микроаэрофильной среды обитания. Частицы магнетита также обнаружены в эукариотических магнитотактических водорослях, клетки которых содержат несколько тысяч кристаллов.
Обычно общий магнитный дипольный момент достаточно велик, чтобы ориентировать клетку по направлению магнитных линий. Ориентированные по сторонам света бактерии двигаются при помощи одного либо нескольких жгутиков. Интересным моментом можно назвать то, что мертвые клетки тоже ориентируются по линиям магнитного поля (магнетосомы в составе организма бактерии остаются), но по понятным причинам не двигаются.
Магниточувствительные бактерии из северного полушария Земли двигаются параллельно линиям геомагнитного поля. Это приводит к движению микроскопически малых организмов в направлении сервера. Их принято называть «север-ищущие». А вот бактерии из южного полушария двигаются в противоположном направлении, их называют «юг-ищущие». Собственно, названия бактерий не вызывает вопросов. Поскольку векторы линий магнитного поля направлены вверх в южном полушарии и вниз в северном, то движение как «южан», так и «северян» всегда направлено вниз.
Ученые объясняют эту особенность бактерий тем, что им нужны слои ила с минимальной концентрацией кислорода. И умение ориентироваться в пространстве приводит к тому, что бактерии без проблем движутся все ниже и ниже. Затем, достигнув нужной глубины, они оседают на иловые частицы. Правда, здесь есть ряд вопросов. Один из них заключается в том, что ученые пока не могут объяснить, зачем некоторым видам бактерий сотни магнетосом в одной клетке. Ведь для ориентирования хватит всего несколько таких частиц.
Первооткрыватель бактерий этого типа Ричард Блекмор заявил, что у магнетосом может быть несоклько функций. Одна из них — предотвращение накопления в клетке перекиси водорода H2O2. Это предположение частично подтверждается новыми экспериментами, показавшими, что магнетосомы действительно снижают содержание в клетке активных форм кислорода. Но здесь есть еще один вопрос, связанный с предыдущим. Дело в том, что синтез магнетосом начинается только в случае низкой концентрации кислорода. Плюс ко всему, свободные формы двухвалентного иона железа токсичны для бактерий. А ведь накопление в клетке большого количества магнетосом может привести к накоплению таких ионов.
(A) специфическая экспрессия белков и флуорофорных меток; (B) использование fusion («сшитых») белков, стрептавидиновых меток; © образование комплексов с золотыми частицами посредством ДНК-линкеров; (D) модифицированных белков мембраны магнетосом и иммуноглобулин-связующего белка (MM—магнетосомная мембрана, MMP—магнетосомные белки, SAV—стрептавидин) »>(A) специфическая экспрессия белков и флуорофорных меток; (B) использование fusion («сшитых») белков, стрептавидиновых меток; © образование комплексов с золотыми частицами посредством ДНК-линкеров; (D) модифицированных белков мембраны магнетосом и иммуноглобулин-связующего белка (MM—магнетосомная мембрана, MMP—магнетосомные белки, SAV—стрептавидин)
В процессе синтеза есть интересный момент. Дело в том, что практически все магниточувствительные бактерии синтезируют кристаллы магнетита Fe3O4 практически одинаковой формы и с узким распределением по размерам. Причем происходит все это при комнатной температуре. Не так давно было выяснено, что связыванием ионов железа занимается белок mms6, плюс, возможно, и другие белки. Сейчас есть различные планы по синтезу магнетита при комнатной температуре из гидроксида железа. А ученые из Ames Laboratory и Iowa State University (США) пошли еще дальше: они использовали бактериальный белок mms6 для синтеза нанокристаллов феррита кобальта (CoFe2O4), который живые организмы производить не умеют.
Для того, чтобы добиться указанного результата, авторы работы включили упомянутый выше белок в состав геля, где его отдельные молекулы объединили в группы. Группы же расположили определенным образом, сформировав матрицу для синтеза нанокристаллов. При добавлении солей кобальта и железа (CoCl2 и FeCl2) были получены довольно крупные (50–80 нм) тонкие гексагональные пластинки феррита кобальта.
Как оказалось, этот материал проявил лучшие магнитные свойства по сравнению с ферритом кобальта, который был синтезирован в аналогичных условиях, но без использования белка mms6.
Частицы CoFe2O4, полученные разными способами: a, b — в присутствии полимера, но без белка; c — в присутствии полимера и белка mms6, не связанных друг с другом; d — то же для C-концевого фрагмента mms6; e — в присутствии полимера, связанного с mms6; f — в присутствии полимера, связанного с C-концевым фрагментом mms6 (ПЭМ). Размер метки 50 нм
Практическое использование магниточувствительных бактерий
То, внутри бактерий существуют магнитные нанокристаллы, плюс в самой клетке есть органическая липопротеиновая мембрана, позволил ученым начать планирование использования этих бактерий в качестве различных инструментов. Например, для иммобилизации таких ферментов, как глюкооксидаза и уриказа. В случае работы с бактериями ферменты были в 40 более активными, чем в случае работы с искусственными магнитными частицами.
Оказалось возможным использовать магнетосомы с антителами на их поверхность проводить различные иммуноферментные анализы. В числе разновидностей этих анализов — определение аллергенов и клеток эпидермоидного рака. Также бактериальные магнитные частицы могут работать с флуоресцентным веществом для выявления клеток E. coli.
Сейчас на основе магниточувствительных бактерий и их магнетосом разрабатывается способ направленной доставки лекарств к различным органам тела человека и животных. При помощи магнита магнетосомы бактерий с лекарственными препаратами могут быть доставлены прямо к цели.
Использовать уникальные особенности описываемых бактерий можно не только в медицине. Работать с ними можно и электронщикам. Например, Ученые из университета Лидса предложили собственную технологию выращивания однородных кристаллов магнетита на подложке при помощи магниточувствительных бактерий. Японские ученые использовали схожий метод, только они решили формировать при помощи микроорганизмов основу для нанопроводов в микроскопически малых микросхемах. При создании нанопроводов ученые из Японии используют частицы из сульфида меди и индия и сульфида цинка. Такие нанопровода помещаются в оболочку из липидов. Ученые смогли сформировать из липидных молекул нечто вроде трубочек, в которые и помещаются потом провода.
При таком способе выращивания кристаллов бактерии располагаются на подложке из золота в шахматном порядке. После этого подложка помещается в раствор солей железа. При температуре 80°C на тех участках, что были покрыты бактериями, образуются однородные нанокристаллы магнетита. Такие нанокристаллы позволяют удерживать заряд, а систему можно использовать для записи информации.
Канадские ученые из лаборатории наноробототехники (NanoRobotics Laboratory of the Ecole Polytechnique) в Монреале смогли заставить бактерий построить небольшую систему в виде пирамиды. Управляя при помощи компьютера формой и напряженностью магнитного пола, специалисты смогли организовать из колонии магниточувствительных бактерий отряд строителей. В ходе ряда экспериментов специалисты добились создания сооружения в виде пирамиды, а также продвижения бактерий в кровеносной системе живой крысы. В дальнейшем канадцы надеются использовать технологию поведением бактерий для создания наноструктур большего размера. Возможно, магниточувствительные бактерии смогут стать частью более сложной системы.
Пока что практически все предложенные методы работы с магниточувствительными бактериями находятся на стадии лабораторного тестирования. Дело в том, что эти микроорганизмы растут относительно медленно, а значит, их продуктивность не очень велика. Поэтому в настоящий момент более выгодно работать с традиционными физико-химическими методами выращивания тех же кристаллов. Но методы культивирования магнитотактических бактерий постоянно совершенствуются, поэтому и продуктивность штаммов повышается.
Для того, чтобы достичь более высоких результатов, ученые предлагают использовать генную инженерию.
