Indsigt i magnetiske bakterier kan guide forskning i medicinske nanorobotter

Forskere har længe undersøgt magnetotaktiske bakterier (MTB), akvatiske mikrober, der har evnen til at orientere sig mod magnetiske felter. Denne usædvanlige adfærd gør dem til et emne af interesse for at forbedre vores forståelse af biomagnetisme, og potentielt udnytte deres evner til fremtidige teknologier, såsom medicinske nanorobotter. Neutroner er blevet brugt til at udforske egenskaberne ved denne magnetisme ved at sondere de specialiserede dele af cellerne, der er involveret.

MTB'er udøver deres magnetiske navigationsevner ved hjælp af magnetosomer - membranstrukturer, der indeholder magnetiske nanopartikler, som bakterierne mineraliserer fra deres miljø. Magnetosomerne arrangeres i en kæde, der fungerer som et magnetisk kompas, lader bakterierne bevæge sig mod de flodlejer, de bor i, ved hjælp af jordens magnetfelter. Disse usædvanlige nanopartikler er blevet undersøgt med neutronstråler for at opdage de underliggende mekanismer, der bestemmer arrangementet og geometrien af ​​kæderne.

Et internationalt samarbejde mellem forskere fra University of the Basque Countries, University of Cantabria og Institut Laue Langevin (ILL) har belyst den præcise strukturelle konfiguration af magnetosomerne i MTB-stammen Magnetospirillum gryphiswaldense. De udførte small-angle neutron scattering (SANS) på en kolloid af MTB, en teknik, der giver dem mulighed for at se organismernes magnetiske mikrostruktur i detaljer i vandig opløsning. D33-instrumentet blev brugt på grund af dets polariserede neutronstråletilstand, hvilket gjorde det muligt for forskerne at analysere både de strukturelle komponenter og det magnetiske arrangement - muligt, fordi neutroner vil interagere med begge. Magnetiske nanopartikler er centrale for mange applikationer, lige fra biomedicinsk diagnostik til datalagring, og endda hypertermi kræftbehandlinger, men de magnetiske strukturer i og mellem nanopartikler er udfordrende at sondere direkte. Neutron-spin-opløst småvinklet neutronspredning er et af de få værktøjer, der kan bruges til at undersøge nanopartikler.

Ved at bruge SANS, forskerne har fået ny indsigt i magnetosomkædens opbygning. Dette blev tidligere observeret at være bøjet, snarere end lige, alligevel har neutronsondering hjulpet forskere med at udforske, hvad der sker mere dybt. Neutronsondering afslørede, at bøjningerne ikke påvirker retningen af ​​det netto magnetiske moment, men får det individuelle nanopartikels magnetiske moment til at afvige 20 grader fra kædeaksen. Når afvigelsen er taget i betragtning, samspillet mellem de magnetiske dipolære interaktioner mellem nanopartiklerne og den aktive samlingsmekanisme implementeret af de bakterielle proteiner forklarer konformationen af ​​kæderne i en spiralform:det er simpelthen det laveste energiarrangement for de magnetiske nanopartikler.

Disse fund, udgivet i Nanoskala , lette en bedre forståelse af, hvordan kædeadfærden kan påvirke anvendelser af MTB. De kunne guide udviklingen af ​​biologiske nanorobotter, som kan levere medicin eller udføre mindre operationer inde i kroppen. Bakteriens magnetosomkæde kunne give retningsbestemt bevægelse i styresystemet. I dette tilfælde, den præcise konformation af kæden ville være afgørende for, at den kan fungere korrekt og navigere rundt i kroppen. Nanorobotter ville gøre det muligt at udføre minimalt invasive medicinske procedurer, aflaste patienter for meget af traumet forårsaget af nuværende påtrængende kirurgiske metoder.

Dirk Honecker, en instrumentforsker ved ILL, og medforfatter til undersøgelsen, sagde, "Neutronspredning er et værdifuldt værktøj til at undersøge disse magnetosomer og også andre materialer i stor detalje. Vores småvinklede neutroninstrument D33 med sin polariserede stråleevne giver os mulighed for at analysere de magnetiske vekselvirkninger såvel som strukturerne i nanoskala, takket være neutronernes magnetiske moment. Med denne nye information, vi tager et skridt tættere på at udnytte potentialet i disse fantastiske nanopartikler produceret af naturen. Blandt de mest spændende applikationer vil være dem, der involverer medicin - det lille kompas i bakterierne kan bruges til at navigere i den menneskelige krop, og guide nanorobotter til at udføre opgaver i specifikke organer eller lemmer."