Forskare har länge studerat magnetotaktiska bakterier (MTB), vattenmikrober som har förmågan att orientera sig mot magnetfält. Detta ovanliga beteende gör dem till ett ämne av intresse för att förbättra vår förståelse av biomagnetism, och potentiellt utnyttja sina förmågor för framtida teknologier, såsom medicinska nanorobotar. Neutroner har använts för att utforska egenskaperna hos denna magnetism genom att sondera de specialiserade delarna av cellerna som är involverade.

MTB:er utövar sina magnetiska navigeringsförmåga med hjälp av magnetosomer – membranstrukturer som innehåller magnetiska nanopartiklar som bakterierna mineraliserar från sin miljö. Magnetosomerna arrangeras i en kedja som fungerar som en magnetisk kompass, låter bakterierna röra sig mot flodbäddarna de bor i, med hjälp av jordens magnetfält. Dessa ovanliga nanopartiklar har undersökts med neutronstrålar för att upptäcka de underliggande mekanismerna som bestämmer arrangemanget och geometrin hos kedjorna.

Ett internationellt samarbete mellan forskare från University of the Baskien, University of Cantabria och Institut Laue Langevin (ILL) har klarlagt den exakta strukturella konfigurationen av magnetosomerna i MTB-stammen Magnetospirillum gryphiswaldense. De utförde småvinklar neutronspridning (SANS) på en kolloid av MTB, en teknik som gör att de kan se organismernas magnetiska mikrostruktur i detalj i vattenlösning. D33-instrumentet användes på grund av dess polariserade neutronstråleläge, vilket gjorde det möjligt för forskarna att analysera både de strukturella komponenterna och det magnetiska arrangemanget – möjligt eftersom neutroner kommer att interagera med båda. Magnetiska nanopartiklar är centrala för många applikationer, allt från biomedicinsk diagnostik till datalagring, och till och med hypertermi cancerbehandlingar, men de magnetiska strukturerna inom och mellan nanopartiklar är utmanande att sondera direkt. Neutronspinnupplöst neutronspridning med liten vinkel är ett av få verktyg som kan användas för att undersöka nanopartiklar.

Använder SANS, forskarna har fått ny insikt om magnetosomkedjans struktur. Detta har tidigare observerats vara böjt, snarare än rak, ändå har neutronsondering hjälpt forskare att utforska vad som händer djupare. Neutronsondering avslöjade att böjningarna inte påverkar riktningen för det magnetiska nettomomentet, men gör att det individuella nanopartikelns magnetiska moment avviker med 20 grader från kedjans axel. När avvikelsen har tagits med i beräkningen, samspelet mellan de magnetiska dipolära interaktionerna mellan nanopartiklarna och den aktiva sammansättningsmekanismen som implementeras av bakterieproteinerna förklarar konformationen av kedjorna i en spiralform:det är helt enkelt det lägsta energiarrangemanget för de magnetiska nanopartiklarna.

Dessa fynd, publiceras i Nanoskala , underlätta en bättre förståelse av hur kedjebeteendet kan påverka tillämpningar av MTB. De kan vägleda utvecklingen av biologiska nanorobotar, som kan leverera droger eller utföra mindre operationer inuti kroppen. Bakteriens magnetosomkedja kan ge riktningsrörelse i styrsystemet. I detta fall, kedjans exakta form skulle vara avgörande för att den ska fungera korrekt och navigera runt i kroppen. Nanorobotar skulle göra det möjligt att utföra minimalt invasiva medicinska procedurer, befria patienter från mycket av traumat som orsakats av nuvarande påträngande kirurgiska metoder.

Dirk Honecker, en instrumentforskare vid ILL, och medförfattare till studien, sa, "Neutronspridning är ett värdefullt verktyg för att undersöka dessa magnetosomer och även andra material i detalj. Vårt småvinklade neutroninstrument D33 med sin polariserade strålförmåga låter oss analysera de magnetiska interaktionerna såväl som strukturerna i nanoskala, tack vare neutronernas magnetiska moment. Med denna nya information, vi tar ett steg närmare att utnyttja potentialen hos dessa fantastiska nanopartiklar som produceras av naturen. Bland de mest spännande tillämpningarna kommer de som involverar medicin – den lilla kompassen i bakterierna kan användas för att navigera i människokroppen, och vägleda nanorobotar att utföra uppgifter i specifika organ eller lemmar."