Magnettaktiska bakterier kan känna av jordens magnetfält via magnetiska nanopartiklar i deras inre som fungerar som en inre kompass. Spanska team och experter på Helmholtz-Zentrum Berlin har nu undersökt den magnetiska kompassen för Magnetospirillum gryphiswaldense på BESSY II. Deras resultat kan vara till hjälp vid utformning av aktiveringsanordningar för nanoroboter och nanosensorer för biomedicinska tillämpningar.

Magnettaktiska bakterier finns vanligtvis i sötvatten och marina sediment. En art, Magnetospirillum gryphiswaldense, odlas lätt i labbet - med eller utan magnetiska nanopartiklar i sitt inre beroende på närvaro eller frånvaro av järn i den lokala miljön. "Så dessa mikroorganismer är idealiska testfall för att förstå hur deras inre kompass är konstruerad, " förklarar Lourdes Marcano, en doktorand i fysik vid Universidad del Pais Vasco i Leioa, Spanien.

Magnetospirillum-celler innehåller ett antal små partiklar av magnetit (Fe ₃ O ₄ ), var och en cirka 45 nanometer bred. Dessa nanopartiklar, kallas magnetosomer, är vanligtvis ordnade som en kedja inuti bakterierna. Denna kedja fungerar som en permanent dipolmagnet och kan passivt omorientera hela bakterierna längs jordens magnetfältslinjer. "Bakterierna existerar företrädesvis vid oxi/anoxi-övergångszonerna, Marcano säger, "och den interna kompassen kan hjälpa dem att hitta den bästa nivån i den skiktade vattenpelaren för att tillfredsställa deras näringsbehov." De spanska forskarna undersökte formen på magnetosomerna och deras arrangemang inuti cellerna med hjälp av olika experimentella metoder som elektronkryotomografi.

Prover av isolerade magnetosomkedjor analyserades vid BESSY II för att undersöka den relativa orienteringen mellan kedjans riktning och det magnetiska fält som genereras av magnetosomerna. "Nuvarande metoder som används för att karakterisera dessa bakteriers magnetiska egenskaper kräver provtagning över hundratals icke-anpassade magnetosomkedjor. Med hjälp av fotoelektronemissionsmikroskopi (PEEM) och röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) vid HZB, vi kan detektera och karakterisera de magnetiska egenskaperna hos enskilda kedjor, " förklarar Dr Sergio Valencia, HZB. "Att kunna visualisera de magnetiska egenskaperna hos enskilda magnetosomkedjor öppnar för möjligheten att jämföra resultaten med teoretiska förutsägelser."

Verkligen, experimenten visade att magnetosomernas magnetiska fältorientering inte är riktad längs kedjans riktning, som antagits hittills, men lutar något. Som den spanska gruppens teoretiska modellering antyder, denna lutning kan förklara varför magnetosomkedjor inte är raka utan spiralformade. En djupare förståelse av mekanismerna som bestämmer kedjeformen är mycket viktig, säger forskarna. Naturens uppfinningar kan inspirera till nya biomedicinska lösningar såsom nanoroboter som drivs av flagellasystem i riktning från deras magnetosomkedja.