El conocimiento de las bacterias magnéticas puede guiar la investigación de los nanorobots médicos Understand article


Translator(s): Estela Cepeda, Juan José Sáenz de la Torre

Más allá de los cinco sentidos: Algunas bacterias pueden percibir los campos magnéticos. Descubre cómo lo hacen y cómo esto podría ayudarnos a diseñar nanorobots.

Ejemplo de una bacteria
magnetotáctica, con el magnetosoma
mostrado en naranja.
Varios. CC BY-SA 3.0 

Las bacterias magnetotácticas (BMT) son microorganismos acuáticos muy extendidos que tienen la capacidad de orientarse por campos magnéticos. Las BMT ejercen sus habilidades de navegación magnética mediante magnetosomas, que están compuestos de nanopartículas magnéticas revestidas de membrana que las BMT biomineralizan de forma natural. Estas nanopartículas están dispuestas en una cadena que actúa como una brújula magnética, lo que permite a las bacterias moverse dentro de sedimentos y columnas de agua con estratificación química y redox para satisfacer sus necesidades nutricionales utilizando el campo magnético de la Tierra. Este inusual comportamiento las convierte en un objeto de interés para mejorar nuestra comprensión del biomagnetismo y para potencialmente poder aplicar sus cualidades a futuras tecnologías, como los nanorobots médicos.

Una colaboración internacional de investigadores de la Universidad del País Vasco, la Universidad de Cantabria y el Instituto Laue Langevin (ILL) estudió la disposición y geometría precisas de los magnetosomas de las BMT en la cepa Magnetospirillum gryphiswaldense. La dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS – por sus siglas en inglés) se llevó a cabo con un instrumento que tiene un haz de neutrones polarizado, lo que permitió a los investigadores analizar tanto los componentes estructurales como su disposición magnética, lo que es posible porque los neutrones interactúan con ambos.

Los magnetosomas y las bacterias magnetotácticas son grandes candidatos para muchas aplicaciones, que van desde el diagnóstico biomédico hasta los tratamientos de hipertermia contra el cáncer. Determinar la configuración magnética de la cadena del magnetosoma es de suma importancia para cualquier aplicación futura; sin embargo, es un reto sondearla directamente. La dispersion de pequeño ángulo de neutrones resuelta por espín de neutrones (o “polarizada”) es una de las pocas herramientas que pueden utilizarse para investigar las nanopartículas a la escala pertinente.

Una imagen de microscopía electrónica de una bacteria magnetotáctica, que muestra el magnetosoma, que parece una cadena oscura de cuentas dentro de la bacteria. Encima hay un modelo del magnetosoma con su cadena helicoidal de nanopartículas magnéticas (amarillo). El modelo más grande muestra las fuerzas que determinan la estructura helicoidal del magnetosoma: las flechas negras muestran la dirección de la cadena, las líneas de puntos blancas y las flechas rojas muestran el momento magnético de las partículas, la flecha azul muestra la fuerza magnética que actúa sobre las partículas, y la bobina verde muestra la fuerza de recuperación elástica de equilibrio de las proteínas bacterianas.
ILL

Gracias a la técnica SANS, los investigadores obtuvieron una nueva visión de la estructura de la cadena del magnetosoma, que anteriormente se había demostrado que estaba doblada. El sondeo de neutrones reveló que las curvas no afectan a la dirección del momento magnético neto, pero sí hacen que el momento magnético de cada nanopartícula se desvíe 20 grados del eje de la cadena. Una vez que se tiene en cuenta la desviación, la acción conjunta de las interacciones magnéticas dipolares entre las nanopartículas, junto con el ensamblaje activo por parte de las proteínas bacterianas, explican la conformación de las cadenas en forma helicoidal: es simplemente la disposición de menor energía.

Estos hallazgos, publicados en la revista Nanoscale, facilitan una mejor comprensión de cómo el comportamiento de la cadena podría afectar a las aplicaciones del BMT. Esto podría guiar el desarrollo de nanorobots biológicos, que podrían administrar fármacos o realizar pequeñas intervenciones quirúrgicas en el interior del cuerpo. La cadena de magnetosomas de la bacteria podría proporcionar un movimiento direccional dentro del sistema de dirección. En este caso, la conformación de la cadena sería fundamental para que funcione correctamente y navegue por el cuerpo. Los nanorobots permitirían llevar a cabo procedimientos médicos mínimamente invasivos, aliviando a los pacientes del trauma causado por la cirugía intrusiva.

Dirk Honecker, científico del ILL en el momento del experimento y ahora en ISIS Neutron and Muon Source, dijo: «La dispersión de neutrones es una herramienta valiosa para examinar estos magnetosomas y también otros materiales con gran detalle. Nuestro instrumento de neutrones de ángulo pequeño D33, con su capacidad de haz polarizado, nos permite analizar las interacciones magnéticas así como las estructuras a nanoescala, gracias al momento magnético de los neutrones. Con esta nueva información, estamos dando un paso más para aprovechar el potencial de estas increíbles nanoestructuras producidas por la naturaleza. Entre las aplicaciones más interesantes estarán las relacionadas con la medicina: la diminuta brújula de las bacterias podría utilizarse para navegar por el cuerpo humano y guiar a los nanorobots para que lleven a cabo tareas en órganos o extremidades específicas».

Agradecimientos

Este artículo se publicó originalmente en ILL News.

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