L’estudi de bacteris magnètics pot guiar la recerca en nanorobots mèdics Understand article


Translator(s): Mariona Esquerda Ciutat

Més enllà dels cinc sentits: Alguns bacteris poden detectar camps magnètics. Descobreix com ho fan i com això ens pot ajudar a dissenyar nanorobots.

Un exemple de bacteri
magnetotactic, amb el magnetosoma
destacat en taronja.
Various. CC BY-SA 3.0 

Els bacteris magnetotàctics (BMT) són microorganismes aquàtics àmpliament distribuïts que tenen la capacitat d’orientar-se cap a camps magnètics. Els BMT exerceixen les seves habilitats de navegació utilitzant magnetosomes, formats per nanopartícules magnètiques embolcallades per una membrana, que els BMT biomineralitzen de manera natural. Aquestes nanopartícules estan disposades en una cadena que actua com una brúixola, permetent que el bacteri es mogui per dins de sediments estratificats per gradients químics de reaccions redox i per columnes d’aigua per nodrir-se utilitzant el camp magnètic terrestre. Aquest comportament inusual els converteix en matèria d’interès per millorar els nostre coneixement del biomagnetisme i, potencialment, poder aplicar aquestes habilitats a futures tecnologies, com els nanorobots mèdics.

Una col·laboració internacional d’investigadors de la Universidad del País Vasco, la Universidad de Cantabria i l’Institut Laue Langevin (ILL) ha estudiat la disposició i geometria dels magnetosomes a les bactèries BMT Magnetospirillum gryphiswaldense. Es va fer servir el mètode de dispersió d’angle petit de neutrons (en anglès, SANS) amb un instrument que té un raig de neutrons polaritzats, que permet analitzar tant l’estructura dels components com la disposició magnètica – això és possible per què els neutrons interactuen amb ambdues característiques. Els magnetosomes i els bacteris magnetotactics son molt bons candidats per moltes aplicacions, des de diagnòstics biomèdics fins a tractaments d’hipertèrmia contra el càncer. Determinar la configuració magnètica dels magnetosomes és crucial per qualsevol de les possibles aplicacions, tanmateix, és tot un repte mesurar-la directament. La dispersió d’angle petit de neutrons és una de les poques eines que es poden fer servir per investigar nanopartícules en aquesta escala.

Image de microscopi electrònic d’un bacteri magnetotàctic, mostrant el magnetosoma, semblant a una cadena de perles fosques dins del bacteri. Sobreposat a la imatge, hi ha un model del magnetosoma amb la seva cadena helicoïdal de nanopartícules magnètiques (en groc). El model més gran mostra les forces que determinen l’estructura helicoïdal del magnetosoma: la fletxa negra indica direcció de la cadena, la línia discontínua blanca i les fletxes vermelles indiquen el moment magnètic de les partícules, la fletxa blava mostra la força magnètica que actua sobre les partícules, i l’espiral verda indica la força elàstica de recuperació de les proteïnes del bacteri.
ILL

Utilitzant la tècnica SANS, els investigadors han pogut aprofundir en l’estructura de la cadena del magnetosoma, que prèviament s’havia demostrat que estava doblegada. El sondeig amb neutrons va descobrir que els doblecs no afecten la direcció neta del moment magnètic però són la causa que el moment magnètic individual de les nanopartícules es desviï 20 graus de l’eix de la cadena. Tenint en compte aquesta desviació, l’acció conjunta de les interaccions dipolars magnètiques entre les nanopartícules juntament amb la unió activa de les proteïnes bacterianes, explica la formació de cadenes helicoïdals: és, senzillament, la configuració d’energia més baixa.

Aquesta descoberta, publicada a la revista Nanoscale, facilita un millor coneixement sobre com el comportament de la cadena pot afectar les aplicacions de les BMT. Això pot guiar el desenvolupament de nanorobots biològics que podrien transportar i lliurar medicaments o fer petites intervencions quirúrgiques dins del cos. La cadena de magnetosoma dels bacteris podria proporcionar moviment direccional en el sistema de gir. En aquest cas, la conformació de la cadena seria crítica per el que funcioni correctament i pugui navegar per dins del cos. Els nanorobots podrien permetre realitzar intervencions mèdiques de mínimament invasives i lliurar als pacients del trauma inherent a les intervencions quirúrgiques intrusives.

Dirk Honecker, científic al ILL quan va fer-se l’experiement i que ara treballa al ISIS Neutron and Muon Source, va dir: “La dispersió de neutrons és una eina molt bona per examinar amb gran detall aquests magnetosomes i altres materials. El nostre instrument de neutrons d’angle petit D33 amb el seu raig polaritzat ens permet analitzar tant les interaccions magnètiques com les estructures a escala nanomètrica, gràcies al moment magnètic dels neutrons. Amb aquesta nova informació, estem avançant en l’aprofitament del potencial d’aquestes increïbles nanoestructures produïdes per la natura. D’entre les aplicacions més fascinants, hi ha les relacionades amb la medicina – la brúixola diminuta en els bacteris es podria fer servir per navegar per dins el cos humà, i guiar els nanorobots per fer tasques en òrgans o extremitats específiques.”

Agraïments

Aquest article es publicà originalment a  ILL News.

References

Resources

Institutions

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF