Πώς τα μαγνητικά βακτήρια μπορούν να βοηθήσουν στη δημιουργία ιατρικών νανορομπότ Understand article

Μετάφραση από Βασίλειο Βουρλούμη (Vasileios Vourloumis) Πέρα από τις πέντε αισθήσεις: Κάποια βακτήρια μπορούν να αντιλαμβάνονται την ύπαρξη μαγνητικών πεδίων. Μάθετε πώς…

Ένα παράδειγμα
μαγνητοτακτικού βακτηρίου.
Το μαγνητόσωμα φαίνεται πορτοκαλί.

Διάφοροι. CC BY-SA 3.0 

Τα μαγνητοτακτικά βακτήρια (magnetotactic bacteria – MTB) είναι ευρέως διαδεδομένοι υδρόβιοι μικροοργανισμοί, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να προσανατολίζονται εντός μαγνητικών πεδίων. Αυτές οι ικανότητες μαγνητικού προσανατολισμού οφείλονται στα μαγνητοσώματα. Πρόκειται για μεμβρανώδη σωμάτια, εντός των οποίων τα ΜΤΒ εναποθέτουν μαγνητικά νανοσωματιδία. Τα νανοσωματιδία οργανώνονται σε αλυσίδα, η οποία λειτουργεί ως μαγνητική πυξίδα. Έτσι τα βακτήρια μπορούν να κινούνται μέσα σε χημικώς και οξειδοαναγωγικώς στρωματοποιημένα ιζήματα καθώς και στήλες νερού, έτσι ώστε να βρουν τροφή χρησιμοποιώντας το μαγνητικό πεδίο της Γης. Λόγω της ασυνήθιστης συμπεριφοράς τους, η μελέτη τους μπορεί αφενός να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση του βιομαγνητισμού και αφετέρου στην αξιοποίηση των ικανοτήτων τους σε μελλοντικές τεχνολογίες, όπως τα ιατρικά νανορομπότ.

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Χώρας των Βάσκων, το Πανεπιστήμιο της Καντάμπρια και το Ινστιτούτο Laue Langevin (ILL) μελέτησε την ακριβή διάταξη και γεωμετρία των μαγνητοσωμάτων στο στέλεχος Magnetospirillum gryphiswaldense. Χρησιμοποιώντας όργανο παραγωγής πολωμένης ακτίνας νετρονίων, κατάφεραν, με σκέδαση νετρονίων μικρής γωνίας (Small Angle Neutron Scattering-SANS), να αναλύσουν τόσο τα δομικά συστατικά όσο και τη μαγνητική διάταξη – πιθανά επειδή τα νετρόνια αλληλεπιδρούν και με τα δύο. Τα μαγνητοσώματα και τα μαγνητοτακτικά βακτήρια θα μπορούσαν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές: από τη βιοιατρική διαγνωστική μέχρι τις καρκινικές θεραπείες υπερθερμίας. Η αποσαφήνιση των μαγνητικών χαρακτηριστικών της μαγνητοσωματικής αλυσίδας  είναι ιδιαίτερα σημαντική για κάθε μελλοντική εφαρμογή. Ωστόσο η άμεση διερεύνηση αυτής της διαμόρφωσης είναι δύσκολη και αυτό γιατί η σκέδαση νετρονίων μικρής γωνίας ακτίνων πολωμένων νετρονίων, είναι ένα από τα λίγα εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη νανοσωματιδίων στην σχετική κλίμακα.

Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ενός μαγνητοτακτικού βακτηρίου. Δείχνει το μαγνητόσωμα, το οποίο φαίνεται ως  σκούρα αλυσίδα από χάντρες μέσα στο βακτήριο. Πάνω από αυτό, φαίνεται ένα μοντέλο του μαγνητοσώματος με την ελικοειδή αλυσίδα  μαγνητικών νανοσωματιδίων (κίτρινα). Το μεγαλύτερο μοντέλο δείχνει τις δυνάμεις που διαμορφώνουν την ελικοειδή δομή του μαγνητοσώματος: τα μαύρα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση της αλυσίδας, οι άσπρες διακεκομμένες γραμμές και τα κόκκινα βέλη δείχνουν τη μαγνητική ροπή κάθε σωματιδίου, το μπλε βέλος δείχνει τη μαγνητική δύναμη που ενεργεί στα σωματίδια και η πράσινη σπείρα δείχνει την ισορροπιστική ελαστική δύναμη ανάκτησης από τις βακτηριακές πρωτεΐνες. 
ILL

Οι ερευνητές κατάφεραν, χρησιμοποιώντας SANS, να καταλάβουν καλύτερα τη δομή την μαγνητοσωματικής αλυσίδας, η οποία είχε δειχθεί παλαιότερα οτι είναι κεκαμμένη. Η ανίχνευση νετρονίων έδειξε ότι οι κάμψεις δεν επηρεάζουν την κατεύθυνση της συνολικής μαγνητικής ροπής αλλά προκαλεί μια απόκλιση της μαγνητικής ροπής κάθε νανοσωματιδίου κατά 20 μοίρες από τον άξονα της αλυσίδας. Αφού ληφθεί υπόψη αυτή η απόκλιση, τότε η συνολική αλληλεπίδραση των μαγνητικών δίπολων που δημιουργούνται μεταξύ των νανοσωματιδίων, μαζί με την ενεργή συσσωμάτωση των βακτηριακών πρωτεϊνών, εξηγεί τη διαμόρφωση των αλυσίδων σε ελικοειδή μορφή: είναι απλώς η διάταξη χαμηλότερης ενέργειας.

Τα ευρήματα αυτά, δημοσιευμένα στο περιοδικό Nanoscale, παρέχουν περισσότερες πληροφορίες για το πώς η συμπεριφορά της αλυσίδας μπορεί να επηρεάζει τις εφαρμογές των ΜΤΒ. Μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη βιολογικών νανορομπότ, τα οποία θα μεταφέρουν φάρμακα ή θα κάνουν μικροεπεμβάσεις στο εσωτερικό του σώματος. Η μανητοσωματική αλυσίδα των βακτηρίων μπορεί να παρέχει την κατευθυντήρια δύναμη κατά το χειρισμό της κίνησης τους. Στην περίπτωση αυτή, η διαμόρφωση της αλυσίδας θα ήταν καθοριστική για τη σωστή λειτουργία και καθοδήγηση της στο εσωτερικό του οργανισμού. Τα νανορομπότ θα επιτρέψουν την πραγματοποίηση ελάχιστα επεμβατικών ιατρικών διαδικασιών, ανακουφίζοντας έτσι τους ασθενείς από το τραύμα των πιο παρεμβατικών χειρουργείων.

Ο Dirk Honecker, επιστήμονας στο ILL την περίοδο διεξαγωγής του πειράματος και τώρα στην Πηγή Νετρονίων και Μιονίων του Εργαστηρίου Rutherford (ISIS Neutron and Muon Source), είπε «Η σκέδαση νετρονίων είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τη μελέτη των μαγνητοσωμάτων και άλλων υλικών με μεγάλη ακρίβεια. Το όργανο νετρονίων μικρής ακτίνας D33 με τη δυνατότητα πολωμένης ακτίνας που χρησιμοποιούμε, μας επιτρέπει να αναλύσουμε τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις καθώς και τις δομές νανοκλίμακας, χάρη στη μαγνητική ροπή των νετρονίων. Με τις νέες πληροφορίες, φθάνουμε πιο κοντά στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων αυτών των καταπληκτικών νανοδομών της φύσης. Μεταξύ των πιο συναρπαστικών εφαρμογών θα είναι αυτές που αφορούν την ιατρική – η μικροσκοπική πυξίδα στο εσωτερικό των βακτηρίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για καθοδήγηση στο εσωτερικό του σώματος,  κατευθύνοντας νανορομπότ να κάνουν εργασίες σε συγκεκριμένα όργανα ή άκρα». 

Ευχαριστίες

Το άρθρο αυτό πρωτοδημοσιεύτηκε στα Νέα του ILLs.

References

Resources

Institution

ILL

License

CC-BY