Некоторые бактерии обладают встроенным «компасом»

Фото из открытых источников

Некоторые бактерии — настоящие мастера навигации в миниатюре: встроенный «компас», состоящий из магнитных наночастиц, помогает им надежно находить оптимальную среду обитания. Исследователи из Базельского университета раскрыли магнитные свойства отдельных бактерий — важный шаг на пути к использованию потенциала этих свойств в технологиях, экологических исследованиях и медицине.

Некоторые виды бактерий обладают удивительной способностью: они используют магнитное поле Земли для ориентации в пространстве. Чтобы лучше понять этот механизм, группа исследователей под руководством профессора Мартино Поджио из Швейцарского института нанонауки и кафедры физики Базельского университета из Аргуии более подробно изучила «магнитотактическую» бактерию Magnetospirillum gryphiswaldense.

Внутри этой бактерии находится цепочка магнитных наночастиц, известных как магнетосомы. Они действуют как биологический компас и позволяют бактерии ориентироваться по магнитному полю Земли.

В своей естественной среде обитания — водоемах или влажных отложениях — этот «компас» помогает бактериям систематически перемещаться в поисках оптимальных условий для жизни. Без этой ориентации их движения были бы более хаотичными, требуя, например, больше времени и энергии для определения оптимального уровня кислорода.

Потенциальные области применения этих бактерий весьма значительны. Например, их можно использовать в медицине в качестве управляемых магнитом «микророботов» для адресной доставки лекарств. Также их можно применять в очистке сточных вод, где бактерии поглощают тяжелые металлы, которые затем легко удаляются из воды с помощью магнита.

Однако для того, чтобы подобные применения стали возможными, необходимо точное понимание магнитных свойств бактерий.

С этой целью исследователи из Базельского университета в сотрудничестве с микробиологом, профессором Дирком Шюлером из Байройтского университета, изучили магнитные частицы отдельной бактерии. Это представляет собой серьезную техническую проблему, поскольку магнетизм отдельной цепочки магнетосом чрезвычайно слаб. Большинство предыдущих исследований ограничивались изучением ансамблей бактерий. Однако междисциплинарной исследовательской группе удалось измерить, как магниты внутри отдельной бактерии взаимодействуют под воздействием внешнего магнитного поля. Результаты были недавно опубликованы в научном журнале Physical Review E.

«Сначала мы прикрепили одну бактерию к чрезвычайно тонкому кантилеверу и измерили ее колебания в магнитных полях», — объясняет соавтор исследования Матиас Клаус. «По мельчайшим изменениям частоты колебаний мы смогли определить, насколько сильно бактерия намагничивается и насколько стабильна ее магнитная ориентация».

В дополнение к этим высокочувствительным магнитометрическим измерениям, команда также провела анализ с помощью электронной микроскопии и компьютерное моделирование. Им удалось точно определить магнитную силу цепочки и подтвердить, что этой силы достаточно для того, чтобы бактерия в естественных условиях выровнялась параллельно магнитному полю Земли и, таким образом, двигалась направленно. «Однако очень сильные магнитные поля могут влиять на это выравнивание и тем самым нарушать ориентацию бактерий. Это важный аспект для потенциальных технических применений, таких как управляемые микророботы», — добавляет руководитель проекта Борис Гросс.

Интересно, что при изменении направления магнитного поля отдельные магниты или небольшие группы внезапно меняли свою ориентацию, что подтверждается моделированием. Однако это не представляет опасности для бактерий в озере: магнитное поле Земли недостаточно сильное, и, в отличие от изученных бактерий, они не прикреплены к консоли. Они просто продолжают вращаться, пока снова не выровняются с магнитным полем — еще до того, как такое изменение направления могло бы произойти.