作為20世紀(jì)70年代的研究生，微生物學(xué)家理查德布萊克莫爾可能并不期望發(fā)現(xiàn)一種具有前所未有的能力的新細(xì)菌。在研究生活在泥濘沼澤??中的細(xì)菌時(shí)，他觀察到一些人傾向于可靠地向相同的地理方向游泳。即使他旋轉(zhuǎn)顯微鏡，他們?nèi)匀怀粋€(gè)方向搖擺。在確認(rèn)他們的游泳行為不受光線影響后，布萊克莫爾懷疑他們可能會(huì)對(duì)地球上自然存在的弱磁場(chǎng)作出反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試和觀察，Blakemore證實(shí)細(xì)菌對(duì)磁性有反應(yīng)。他于1975年在“科學(xué)”雜志上發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，向更廣泛的世界介紹了趨磁細(xì)菌。后來(lái)，研究人員意識(shí)到另一位科學(xué)家Salvatore Bellini之前曾發(fā)現(xiàn)過(guò)趨磁細(xì)菌，但他的工作很少受到關(guān)注，因?yàn)樗形礆w檔。

幾十年以來(lái)，科學(xué)家們一直在研究這些微小磁性生物的行為。當(dāng)然，了解更多關(guān)于這些獨(dú)特的單細(xì)胞生物的知識(shí)真的很酷。但像我這樣的研究人員也正在研究如何在醫(yī)療和其他工程應(yīng)用中利用其磁性。

是什么讓他們生活磁鐵？

你之前可能已經(jīng)把磁鐵貼在冰箱的金屬門上了。這組獨(dú)特的原核生物基本上包含那些冰箱磁鐵的超小型版本。它們將氧化鐵或硫化鐵分子包裝成稱為磁性納米顆粒的高密度結(jié)構(gòu)。

每粒納米粒子比一粒米粒小約100,000倍。趨磁細(xì)菌以不同的形狀產(chǎn)生它們：子彈，矩形和球形。研究人員不確定這種變化的原因，但可能的解釋是，不同形狀的粒子可以與磁場(chǎng)不同地相互作用。

通過(guò)在鏈中聚類和排列，這些磁性納米粒子使趨磁細(xì)菌能夠響應(yīng)地球的弱磁場(chǎng)- 強(qiáng)度約為0.5高斯，而不是冰箱磁鐵的100高斯。

趨磁細(xì)菌來(lái)自哪里？

關(guān)于趨磁細(xì)菌如何在地球上出現(xiàn)的主要建議有兩個(gè)。

第一個(gè)假設(shè)表明，這組細(xì)菌是在幾十億年前，在氧氣日益豐富的時(shí)期進(jìn)化而來(lái)的。當(dāng)氧與鐵反應(yīng)時(shí)，溶解在海洋中的鐵量減少。

生物需要鐵來(lái)進(jìn)行代謝活動(dòng)，如呼吸，所以細(xì)菌開(kāi)始儲(chǔ)存，以防止在稀缺時(shí)間出現(xiàn)短缺。但高濃度的自由擴(kuò)散鐵對(duì)細(xì)胞有毒。

這個(gè)想法是，進(jìn)化有利于細(xì)菌結(jié)晶鐵結(jié)晶納米粒子，并圍繞它們包裹脂質(zhì)膜，形成磁小體。

生物學(xué)家更廣泛地接受另一種解釋。這是基于觀察到趨磁細(xì)菌在最初被發(fā)現(xiàn)的沼澤環(huán)境中生長(zhǎng)最好的地方 - 氧氣含量非常有限的地方，濃度低至1%至2%。

當(dāng)趨磁細(xì)菌穿過(guò)沼澤的沼澤時(shí)，它可能會(huì)遇到可能阻礙其路徑的沙子或土壤顆粒。細(xì)菌可以積極地使用它的鞭毛- 一種鞭狀的附屬物，在游泳時(shí)推動(dòng)它 - 移過(guò)這些沉積物，到達(dá)其首選的生長(zhǎng)環(huán)境。

但在某些情況下，鞭毛可能不夠強(qiáng)大。磁性粒子可以為這些細(xì)菌提供一些額外的力量，使它們能夠利用地球的磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航，并向前推進(jìn)一點(diǎn)額外的推力。磁小體允許更有效的導(dǎo)航。

在實(shí)驗(yàn)室中分離和使用磁性基因

多年來(lái)，科學(xué)家一直試圖確定包括蜜蜂，海龜，鯊魚和鴿子在內(nèi)的動(dòng)物是否具有磁敏感性。這種可能的感覺(jué) -稱為磁感應(yīng) - 可以幫助他們獲得驚人的導(dǎo)航功能嗎?到目前為止，研究大多尚無(wú)定論。

研究像趨磁細(xì)菌這樣的簡(jiǎn)單生物可能是更好地理解基因如何調(diào)節(jié)生物磁學(xué)的一種方法。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造突變，微生物學(xué)家[已經(jīng)確定基因]使趨磁細(xì)菌能夠產(chǎn)生磁性納米粒子。他們還發(fā)現(xiàn)了控制納米粒子在這些細(xì)菌中的大小，形狀和排列的基因。

一種可能的應(yīng)用是使用這些磁性基因作為以非侵入性方式操縱細(xì)胞的工具。它們可以讓研究人員無(wú)線控制細(xì)胞。

磁遺傳學(xué)可以建立在光遺傳學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，光遺傳學(xué)是一種利用光來(lái)精確操縱細(xì)胞活動(dòng)的方法。例如，研究人員可以通過(guò)將其暴露在光線下來(lái)觸發(fā)基因工程神經(jīng)元發(fā)射。然而，光不能穿透組織很遠(yuǎn)，因此它不能進(jìn)入??深部腦區(qū)或腸道。

另一方面，磁場(chǎng)容易穿透身體組織。通過(guò)設(shè)計(jì)磁性細(xì)胞并對(duì)其進(jìn)行操作，科學(xué)家們希望能夠更多地了解特定細(xì)胞類型的功能。最終，這些知識(shí)可以幫助治療疾病。

除了一種光合細(xì)菌菌株外，科學(xué)家們還沒(méi)有在制造磁性細(xì)胞方面取得任何成功。關(guān)于產(chǎn)生磁性哺乳動(dòng)物細(xì)胞的報(bào)道是有爭(zhēng)議的。到目前為止，它們只含有隨機(jī)分布在細(xì)胞中的超微磁性納米粒子。

我和我的同事一直致力于找出哪些與磁相關(guān)的突變可能有用。首先，我們使用化學(xué)品隨機(jī)生成具有不同數(shù)量的磁性納米顆粒的突變細(xì)菌。然后，使用我們開(kāi)發(fā)的具有前所未有的靈敏度的磁性設(shè)備，我們能夠分選和分離沒(méi)有納米顆粒的突變體和那些比正常數(shù)量高三倍的突變體。

我們希望使用我們的突變選擇方案來(lái)生成突變體文庫(kù)，然后我們可以對(duì)其進(jìn)行遺傳測(cè)序。最終，我們想要確定我們需要引入哺乳動(dòng)物細(xì)胞以使其具有磁性的最小基因數(shù)。然后我們可以使用磁場(chǎng)非侵入性地操縱其在深部組織中的活動(dòng)。

利用他們的磁力

即使沒(méi)有遺傳調(diào)整，趨磁細(xì)菌也有用。

研究人員將這些細(xì)菌用作微型機(jī)器人，用于輸送藥物和從水中去除有毒金屬。他們合成的磁性納米粒子也已經(jīng)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括靶向藥物遞送和通過(guò)產(chǎn)生的熱量殺死癌細(xì)胞，稱為熱療。

大規(guī)模生產(chǎn)趨磁細(xì)菌和磁小體可能是有幫助的，尤其是過(guò)量產(chǎn)生磁性納米顆粒的突變體。但到目前為止，擴(kuò)大規(guī)模一直很困難。

當(dāng)在大型生物反應(yīng)器中培養(yǎng)時(shí)，罐頂部和底部的個(gè)體經(jīng)歷不同量的靜水壓力。這可能導(dǎo)致它們生長(zhǎng)得更慢并且產(chǎn)生更少的納米顆粒。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我設(shè)計(jì)了一種磁性微流體系統(tǒng)，可以根據(jù)磁性含量不斷對(duì)細(xì)菌進(jìn)行分類。該設(shè)備由一些超細(xì)通道組成。當(dāng)趨磁細(xì)菌流入時(shí)，它們經(jīng)歷向上的磁力。僅收集具有用戶確定的磁性納米顆粒截止數(shù)的個(gè)體，而未處理該標(biāo)記的細(xì)菌被處理掉。

這種高通量的細(xì)胞分離平臺(tái)允許我繼續(xù)僅培養(yǎng)產(chǎn)生大量磁性納米顆粒的健康細(xì)菌。這是一個(gè)重要的步驟，將幫助科學(xué)家利用這些有趣的生物在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步的研究。