I batteri magnetotassici ( BMT ) sono microrganismi , scoperti nel 1975 da RP Blakemore, in grado di muoversi lungo le linee di un campo magnetico . Contengono organelli , magnetosomi , che sono la fonte delle loro proprietà magnetiche. A causa delle loro possibili applicazioni mediche e biotecnologiche , oggi interessano gli scienziati.
I batteri magnetotattici furono scoperti nel 1975 da RP Blakemore, allora studente di dottorato presso l' Università del Massachusetts . Ha studiato le popolazioni di batteri presenti nei laghi e nei sedimenti marini. Rimase sbalordito da un movimento uniforme di alcuni batteri e dimostrò grazie a un magnete che questo movimento era dovuto al campo magnetico .
La prima specie isolata in coltura pura è Magnetospirillum magnetotacticum , ceppo MS-1, negli Stati Uniti , da Blakemore et al. . Successivamente sono state isolate altre tre specie: Magnetospirillum Magneticum , ceppo AMB-1 e Desulfovibrio Magneticus RS-1 in Giappone , e Magnetospirillum gryphiswaldense , ceppo MSR-1 in Germania .
La ricerca su questi batteri è resa difficile dal numero esiguo di ceppi che sono stati scoperti e dalle difficoltà che abbiamo nell'isolarli in coltura. Tuttavia, le recenti scoperte nelle tecniche per la coltivazione di questi batteri hanno consentito ai ricercatori di avanzare nella ricerca relativa a questi organismi.
I BMT sono procarioti Gram-negativi , caratterizzati dalla loro capacità di produrre magnetosomi . Sono anaerobici , anche microaerofili a seconda della specie. Di conseguenza, si trovano principalmente nei sedimenti lacustri o marini, interrati all'interfaccia ossico-anossica (confine tra l'ambiente ricco di ossigeno e quello privo di ossigeno).
Tutti i BMT scoperti fino ad oggi sono mobili , grazie alla presenza di flagelli . Possono così muoversi per aerotassi , cioè in reazione alla concentrazione di ossigeno dell'ambiente, per spostarsi verso luoghi favorevoli al loro sviluppo. Si muovono anche per magnetotassi , cioè si muovono lungo le linee del campo magnetico terrestre per raggiungere ambienti favorevoli alla loro crescita. Così, tutti i BMTs che si trovano nello stesso luogo si muoveranno nella stessa direzione lungo le linee del campo magnetico terrestre, con una velocità dell'ordine di 40 a 1000 um · s -1 .
Il sequenziamento del genoma BMT suggerisce che la maggior parte di loro appartenga ai proteobatteri . Tuttavia, i diversi ceppi scoperti fino ad oggi non provengono dallo stesso antenato comune: i BMT rappresentano un taxon polifiletico . Hanno quindi molte morfologie: coccus , spirilla , bacillus , vibrio , anche multicellulari .
Si distinguono anche per la loro sintesi di magnetosomi, di diversa composizione: alcuni sintetizzano magnetosomi formati da magnetite (Fe 3 O 4), e appartengono per la maggior parte al gruppo Alfa dei proteobatteri, altri sintetizzano magnetosomi di tipo greigite (Fe 3 S 4) e sono per lo più legati ai delta proteobatteri. Tuttavia, alcuni ceppi osservati sono in grado di sintetizzare contemporaneamente entrambe le forme di magnetosomi. Allo stesso modo, il ceppo coltivato RS-1 è correlato ai proteobatteri Delta sebbene sintetizzi magnetosomi magnetite.
Infine, sono state osservate diverse forme di magnetosomi: pseudo-cubici, pseudo-parallelepipedi o anche allungati a forma di proiettile di fucile. Ma un singolo ceppo può produrre solo una forma di magnetosoma.
I batteri magnetotassici mineralizzano i magnetosomi a partire dall'ossido di ferro , che dà la magnetite o dal solfuro di ferro e dalla forma della greigite . Questo processo di mineralizzazione è certamente controllato chimicamente, perché quando un mezzo contiene molto solfuro di idrogeno , i batteri che producono magnetite continuano a produrre quest'ultima e non la greigite. I cristalli di magnetite o greigite hanno tipicamente una lunghezza maggiore da 35 a 120 nm .
La mineralizzazione della magnetite dipende da molti fattori, il più importante dei quali è la concentrazione di ossigeno e la presenza di ossidi di azoto . Alcuni BMT devono trovarsi in un ambiente microaerobico per essere in grado di sintetizzare la magnetite. La produzione di magnetite da parte dei batteri è quindi massima quando la concentrazione di ossigeno è intorno all'1%, mentre una concentrazione superiore al 5% inibisce la produzione di magnetite. L'esperienza mostra che l'ossigeno utilizzato per la sintesi dell'ossido di ferro è quello delle molecole d'acqua e non dell'ossigeno molecolare, il che potrebbe spiegare che alcuni BMT possono sintetizzare la magnetite in ambiente anaerobico . Al contrario, la mineralizzazione della greigite sembra avvenire solo in assenza di ossigeno.
Ovviamente, la polifilia dei BMT suggerisce diversi mezzi biochimici per sintetizzare i minerali magnetici. Tuttavia, anche il trasferimento genico orizzontale durante l'evoluzione può essere considerato per spiegare questa polifilia.
I cristalli magnetici prodotti dai batteri magnetotattici sono di alta qualità, perché sono di elevata purezza chimica e hanno una buona omogeneità. Sarebbe costoso produrre tali cristalli in laboratorio, motivo per cui gli scienziati stanno cercando di coltivare questi batteri in laboratorio, ma questo rimane difficile.
I magnetosomi sono composti da una catena di cristalli magnetici contenuta in un doppio strato lipidico . I cristalli magnetici sono o magnetite ( ossido di ferro (II, III) FeO Fe 2 O 3) o greigite (ossido di zolfo (II, III) FeS Fe 2 S 3), La dimensione di questi cristalli essendo dell'ordine di 35 a 120 nm . La formazione dei magnetosomi richiede tre passaggi ordinati, ma l'ordine in cui i batteri procedono attraverso questi passaggi è sconosciuto. Tuttavia, il processo di produzione del magnetosoma rimane molto veloce, richiede circa dieci minuti.
Nello stato ionico naturale , ci sono due tipi di ioni ferro , cationi ferro (II) Fe 2+ e ioni ferro (III) Fe 3+ . Questi due ioni sono presenti nel mezzo di crescita dei batteri magnetotattici. Poiché gli ioni Ferro (II) sono molto solubili in acqua, i BMT li assorbono utilizzando enzimi e proteine specifici, ma secondo processi simili ad altri batteri. Come ferro (III) ioni sono insolubili in neutro pH , BMTs devono li chelare in per scioglierli. Come molti altri procarioti, usano quindi i siderofori . I siderofori formano un complesso con il ferro (III), che viene poi solubilizzato e trasportato nel citoplasma della cellula.
La membrana magnetosome è composto principalmente da un doppio strato lipidico circa 3 a 4 nm di spessore. Questo doppio strato è costituito da fosfolipidi , acidi grassi e proteine di membrana . I magnetosomi si formano all'interno del citoplasma delle cellule, motivo per cui la composizione della membrana magnetosomiale è molto simile a quella della membrana plasmatica delle cellule. Tuttavia, non è ancora chiaro se la membrana del magnetosoma si formi prima dell'assorbimento del ferro o se si formi attorno a cristalli di ferro già presenti nella cellula.
La crescita dei cristalli di ferro all'interno dei batteri si verifica quando i cristalli sono già presenti nel magnetosoma, il che implica che il ferro deve essere trasportato all'interno dei magnetosomi. Sono state trovate proteine sia nel citoplasma delle cellule che nei magnetosomi, come la proteina MagA presente in particolare nel ceppo AMB-1 di Magnetospirillum Magneticum . Queste proteine svolgono certamente un ruolo nel trasporto del ferro dalla cellula ai magnetosomi.
Le magnetiti dei magnetosomi sono arricchite in 57 Fe rispetto agli isotopi pari ( 54 Fe, 56 Fe e 58 Fe). Anomalie simili erano già state osservate per altri elementi come il mercurio o lo zolfo, ma mai per il ferro. Il meccanismo di acquisizione di questa anomalia non è ancora stabilito, ma potrebbe essere correlato alle proprietà di spin elettronico del ferro. La ricerca di questa anomalia potrebbe aiutare nell'identificazione di fossili di batteri magnetotattici in campioni terrestri o addirittura extraterrestri.
I batteri magnetotattici sono organismi microaerobici, quindi hanno bisogno di un ambiente povero di ossigeno per sopravvivere. Per trovare un ambiente favorevole alla loro crescita, hanno sviluppato una capacità chiamata magnetotassi, vale a dire che usano le linee del campo magnetico per muoversi.
Come funziona?
I cristalli sintetizzati dai batteri misurano tra 35 e 120 nm . I cristalli di queste dimensioni sono monodominio, il che significa che i momenti magnetici di ciascun atomo in un cristallo sono paralleli. ("Chiamiamo dominio magnetico o dominio di Weiss ogni regione in un unico pezzo in cui tutti i momenti magnetici atomici sono allineati parallelamente tra loro",) . Inoltre, tutti i cristalli adiacenti all'interno di un magnetosoma hanno i loro momenti magnetici paralleli. Ciò si traduce in un momento magnetico permanente per il magnetosoma, che si comporta quindi come un magnete .
A causa del suo momento magnetico permanente, il magnetosoma sperimenta una coppia nel campo magnetico terrestre . L'ampiezza di questa coppia supera le forze termiche che tendono a orientare i batteri in modo casuale (per agitazione). Di conseguenza, i batteri magnetotattici si orientano lungo le linee del campo magnetico terrestre indipendentemente dal moto browniano . La magnetotassi è quindi l'alleanza tra questa capacità passiva di orientarsi (i batteri, anche morti, rimangono orientati secondo le linee di campo), e di muoversi grazie al loro flagello.
Come consente loro di spostarsi verso un luogo con un buon contenuto di O 2 ?
I batteri magnetotattici si muovono sempre lungo le linee di campo terrestre perché sono i più attraenti per questi batteri. Nel nell'emisfero nord , tendono a seguire la direzione positiva del campo magnetico, gli viene detto di nuoto parallelo ad esso (vale a dire verso il nord ), mentre nel nell'emisfero sud , tendono ad andare nella direzione opposta della campo magnetico, diciamo che nuotano in antiparallelo (cioè vanno a sud). Alcuni tipi di batteri magnetotattici possono, in determinate condizioni ancora sconosciute, orientarsi verso sud pur essendo a nord (o viceversa), o addirittura cambiare direzione durante il viaggio. Tuttavia, non possono mai muoversi in un modo che non sia parallelo alle linee del campo terrestre.
Tuttavia, essendo il campo magnetico della Terra inclinato sotto l'orizzontale nell'emisfero settentrionale e sopra nell'emisfero meridionale, i batteri che seguono le linee di campo mentre si avvicinano a uno dei poli tendono a "discendere". Migrano quindi affondando nei sedimenti lungo le linee del campo geomagnetico. Osservando un diagramma del campo magnetico terrestre (vedi esempio a fianco), osserviamo che le linee del campo magnetico partono dal nucleo della Terra , vanno a sud, poi vanno a nord, formando archi di cerchio prima di ritornare infine al nucleo. Per questo motivo, quando i batteri magnetotattici nel nord seguono le linee di campo verso il suo polo, tendono ad affondare. A sud vanno nella direzione opposta e di conseguenza affondano sotto il sedimento.
Poiché il contenuto di ossigeno diminuisce con la profondità negli ambienti sedimentari, i batteri magnetotattici trovano nella profondità degli strati sedimentari un ambiente favorevole al loro sviluppo poiché sono per lo più microaerobici.
La magnetotassi costituisce quindi un mezzo di locomozione efficiente e privilegiato per questi organismi, perché dà loro la virtuale certezza di poter trovare un ambiente con un livello di ossigeno che permetta loro di svilupparsi.
I batteri magnetotassici utilizzano la magnetotassi per trovare un ambiente in cui la concentrazione di ossigeno è ottimale per la loro crescita, motivo per cui si trovano in ambienti sedimentari.
La prima teoria formulata sul beneficio della magnetotassi per questi batteri era la seguente: la magnetotassi consentirebbe direttamente ai batteri magnetotattici di trovare la loro nicchia ecologica per svilupparsi.
Tuttavia, la scoperta di numerosi batteri magnetotattici al limite ossico / anossico suggerisce che la magnetotassi non è l'unico modo in cui hanno a disposizione per trovare un ambiente vitale.
Infatti usano anche l' aerotassi , cioè migrano in base alla concentrazione di ossigeno, e non solo in relazione alle linee del campo magnetico. Ad esempio, quando un batterio magnetotassico utilizza la magnetotassi, affonda sotto il sedimento finché non trova un mezzo con il giusto contenuto di ossigeno e vi si fissa. Il problema è che a volte le colonne sedimentarie (vedi diagramma a lato), che hanno forti gradienti redox, subiscono erosione o altri fenomeni che provocano la risalita verso la superficie dei sedimenti, e quindi ad esempio batteri magnetotattici che vi abitano. Data l'evoluzione della concentrazione di ossigeno in funzione della profondità, un batterio magnetotattico che è salito in superficie con il sedimento non si trova più in un mezzo di concentrazione ottimale di ossigeno.
La questione è quindi sapere come i batteri troveranno una regione con condizioni ottimali per lo sviluppo. O usa di nuovo la magnetotassi e trova la concentrazione di ossigeno ottimale grazie alle linee di campo, oppure mette da parte la magnetotassi e poi usa l'aerotassi per scendere in profondità nella colonna sedimentaria dove si trova. Quando utilizza l'aerotassi, poiché cerca un ambiente microaerobico o anaerobico rigoroso, generalmente si fissa al limite ossico-anossico, motivo per cui in questo luogo troviamo un gran numero di batteri magnetotattici.
Pertanto i batteri magnetotattici utilizzano sia la magnetotassi che l'aerotassi (si parla di magneto-aerotassi ) per trovare un mezzo di crescita ottimale. La magnetotassi aumenta quindi l'efficienza dell'aerotassi, poiché una volta che il batterio si trova in una colonna sedimentaria, la ricerca dell'aerotassi viene effettuata solo lungo una dimensione, contro le tre dimensioni per i batteri che utilizzano solo l'aerotassi.
Oggi si possono prevedere numerose applicazioni dei batteri magnetotattici, in particolare in virtù delle loro proprietà magnetiche, in vari campi.
In medicina, sarebbe prima possibile utilizzare i batteri magnetotattici come agenti diagnostici.
La superficie lipidica dei batteri magnetotattici consente l'attaccamento di specifici batteriofagi (o fagi). Inoltre, grazie ai magnetosomi e alle loro proprietà magnetiche, è possibile guidare i batteri che si muovono attraverso il loro flagello. Pertanto, producendo un campo magnetico e variandolo nel tempo (utilizzando un computer, ad esempio), è possibile controllare il movimento dei BMT, e quindi attraversare rapidamente un'area definita. A contatto con i batteri bersaglio, i batteri magnetotattici si attaccheranno ad essi per mezzo dei fagi. Sarà quindi possibile rilevare i batteri target, utilizzando i cristalli magnetici dei batteri come mezzo di contrasto . Il vantaggio di questa rilevazione è quello di essere più precisi e sensibili di quelli utilizzati fino ad ora. Inoltre, può essere applicato agli esseri umani a causa della non tossicità di questi batteri. Tuttavia, questo metodo non sarebbe specifico per il targeting dei batteri, a seconda dell'elemento attaccato ai BMT. Ad esempio, sarebbe possibile utilizzare questa tecnica per localizzare le cellule tumorali in un individuo in modo molto preciso.
I batteri magnetotattici potrebbero anche essere usati come trasportatori per migliorare l'efficacia di alcuni trattamenti, in particolare i tumori. In effetti, è difficile somministrare un trattamento in modo molto preciso a tutte le parti del corpo umano . Attaccando microperle contenenti gli agenti terapeutici da utilizzare ai batteri magnetotattici, e convogliando i batteri magnetotattici mediante un campo magnetico che ne consente il controllo, sarebbe possibile erogare il trattamento in maniera molto mirata. Questo utilizzo di BMT consentirebbe di ridurre le dosi da utilizzare e la dispersione di agenti tossici in altri tessuti sani.
I batteri magnetotattici possono essere utilizzati come trasportatori in diverse situazioni, consentendo di implementare tecniche di separazione efficienti. Ciò è possibile grazie a tre caratteristiche di questi BMT: il loro rapporto superficie / volume, la possibilità di fissare vari agenti bioattivi alla loro superficie e la possibilità di guidarli grazie ad un campo magnetico. Così, attraverso un meccanismo identico a quello utilizzato in medicina per colpire i batteri, sarebbe possibile legare i BMT ad una determinata sostanza grazie agli agenti bioattivi aggiunti preventivamente sulla loro superficie, per poi estrarli nuovamente grazie allo spostamento del batteri. batteri mediante l'applicazione di un campo magnetico. In questo contesto, i batteri magnetotattici potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per decontaminare l'acqua, o anche per separare le varie sostanze presenti.
I batteri magnetotattici sono famosi soprattutto per essere uno degli argomenti a favore dell'esistenza della vita fuori dalla Terra, su Marte appunto. La NASA aveva infatti notato la presenza nel meteorite marziano ALH84001 di carbonati con una particolare zonazione chimica, perché simili ai cristalli sintetizzati dai batteri magnetotattici. L'ipotesi della presenza di vita su Marte è stata quindi alimentata dalle somiglianze nella forma e nella composizione tra i cristalli prodotti dai batteri magnetotattici ei cristalli di carbonato prelevati dal meteorite.