磁性细菌及其独特的超级大国吸引了研究者

作为20世纪70年代的研究生，微生物学家理查德布莱克莫尔可能并不期望发现一种具有前所未有的能力的新细菌。在研究生活在泥泞沼泽​​中的细菌时，他观察到一些人倾向于可靠地向相同的地理方向游泳。即使他旋转显微镜，他们仍然朝着一个方向摇摆。在确认他们的游泳行为不受光线影响后，布莱克莫尔怀疑他们可能会对地球上自然存在的弱磁场作出反应。

经过进一步的测试和观察，Blakemore证实细菌对磁性有反应。他于1975年在“科学”杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，向更广泛的世界介绍了趋磁细菌。后来，研究人员意识到另一位科学家Salvatore Bellini之前曾发现过趋磁细菌，但他的工作很少受到关注，因为它尚未归档。

几十年以来，科学家们一直在研究这些微小磁性生物的行为。当然，了解更多关于这些独特的单细胞生物的知识真的很酷。但像我这样的研究人员也正在研究如何在医疗和其他工程应用中利用其磁性。

是什么让他们生活磁铁？

你之前可能已经把磁铁贴在冰箱的金属门上了。这组独特的原核生物基本上包含那些冰箱磁铁的超小型版本。它们将氧化铁或硫化铁分子包装成称为磁性纳米颗粒的高密度结构。

每粒纳米粒子比一粒米粒小约100,000倍。趋磁细菌以不同的形状产生它们：子弹，矩形和球形。研究人员不确定这种变化的原因，但可能的解释是，不同形状的粒子可以与磁场不同地相互作用。

通过在链中聚类和排列，这些磁性纳米粒子使趋磁细菌能够响应地球的弱磁场- 强度约为0.5高斯，而不是冰箱磁铁的100高斯。

趋磁细菌来自哪里？

关于趋磁细菌如何在地球上出现的主要建议有两个。

第一个假设表明，这组细菌是在几十亿年前，在氧气日益丰富的时期进化而来的。当氧与铁反应时，溶解在海洋中的铁量减少。

生物需要铁来进行代谢活动，如呼吸，所以细菌开始储存，以防止在稀缺时间出现短缺。但高浓度的自由扩散铁对细胞有毒。

这个想法是，进化有利于细菌结晶铁结晶纳米粒子，并围绕它们包裹脂质膜，形成磁小体。

生物学家更广泛地接受另一种解释。这是基于观察到趋磁细菌在最初被发现的沼泽环境中生长最好的地方 - 氧气含量非常有限的地方，浓度低至1%至2%。

当趋磁细菌穿过沼泽的沼泽时，它可能会遇到可能阻碍其路径的沙子或土壤颗粒。细菌可以积极地使用它的鞭毛- 一种鞭状的附属物，在游泳时推动它 - 移过这些沉积物，到达其首选的生长环境。

但在某些情况下，鞭毛可能不够强大。磁性粒子可以为这些细菌提供一些额外的力量，使它们能够利用地球的磁场进行导航，并向前推进一点额外的推力。磁小体允许更有效的导航。

在实验室中分离和使用磁性基因

多年来，科学家一直试图确定包括蜜蜂，海龟，鲨鱼和鸽子在内的动物是否具有磁敏感性。这种可能的感觉 -称为磁感应 - 可以帮助他们获得惊人的导航功能吗?到目前为止，研究大多尚无定论。

研究像趋磁细菌这样的简单生物可能是更好地理解基因如何调节生物磁学的一种方法。

通过在实验室中创造突变，微生物学家[已经确定基因]使趋磁细菌能够产生磁性纳米粒子。他们还发现了控制纳米粒子在这些细菌中的大小，形状和排列的基因。

一种可能的应用是使用这些磁性基因作为以非侵入性方式操纵细胞的工具。它们可以让研究人员无线控制细胞。

磁遗传学可以建立在光遗传学技术的基础上，光遗传学是一种利用光来精确操纵细胞活动的方法。例如，研究人员可以通过将其暴露在光线下来触发基因工程神经元发射。然而，光不能穿透组织很远，因此它不能进入​​深部脑区或肠道。

另一方面，磁场容易穿透身体组织。通过设计磁性细胞并对其进行操作，科学家们希望能够更多地了解特定细胞类型的功能。最终，这些知识可以帮助治疗疾病。

除了一种光合细菌菌株外，科学家们还没有在制造磁性细胞方面取得任何成功。关于产生磁性哺乳动物细胞的报道是有争议的。到目前为止，它们只含有随机分布在细胞中的超微磁性纳米粒子。

我和我的同事一直致力于找出哪些与磁相关的突变可能有用。首先，我们使用化学品随机生成具有不同数量的磁性纳米颗粒的突变细菌。然后，使用我们开发的具有前所未有的灵敏度的磁性设备，我们能够分选和分离没有纳米颗粒的突变体和那些比正常数量高三倍的突变体。

我们希望使用我们的突变选择方案来生成突变体文库，然后我们可以对其进行遗传测序。最终，我们想要确定我们需要引入哺乳动物细胞以使其具有磁性的最小基因数。然后我们可以使用磁场非侵入性地操纵其在深部组织中的活动。

利用他们的磁力

即使没有遗传调整，趋磁细菌也有用。

研究人员将这些细菌用作微型机器人，用于输送药物和从水中去除有毒金属。他们合成的磁性纳米粒子也已经用于生物医学应用，包括靶向药物递送和通过产生的热量杀死癌细胞，称为热疗。

大规模生产趋磁细菌和磁小体可能是有帮助的，尤其是过量产生磁性纳米颗粒的突变体。但到目前为止，扩大规模一直很困难。

当在大型生物反应器中培养时，罐顶部和底部的个体经历不同量的静水压力。这可能导致它们生长得更慢并且产生更少的纳米颗粒。为了解决这个问题，我设计了一种磁性微流体系统，可以根据磁性含量不断对细菌进行分类。该设备由一些超细通道组成。当趋磁细菌流入时，它们经历向上的磁力。仅收集具有用户确定的磁性纳米颗粒截止数的个体，而未处理该标记的细菌被处理掉。

这种高通量的细胞分离平台允许我继续仅培养产生大量磁性纳米颗粒的健康细菌。这是一个重要的步骤，将帮助科学家利用这些有趣的生物在实验室进行进一步的研究。