Le nostre conoscenze sui batteri magnetici potrebbero aiutarci nella riceca sui nanorobot medici Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Oltre i cinque sensi: Alcuni batteri sono sensibili ai campi magnetici. Vediamo come possono farlo e come questo può aiutarci a progettare nanorobot.

Un esempio di batterio
magnetotattico, con il
magnetosoma evidenziato
in arancio.

VariousCC BY-SA 3.0 

I batteri magnetotattici (MTB) sono comuni microorganismi acquatici che hanno la capacità di orientarsi secondo i campi magnetici. Gli MTB possono sfruttare la navigazione magnetica grazie ai magnetosomi, organi composti da nanoparticelle magnetiche, biomineralizzate naturalemnte dai MTB, racchiuse all’interno di membrane. Queste nanoparticelle sono allineate in una catena che funziona come una bussola magnetica, permettendo ai batteri di muoversi all’interno dei sedimenti e della colonna d’acqua stratificati sia chimicamente che per le condizioni ossido-riducenti, in modo da soddisfare le loro necessità alimentari sfruttando il campo magnetico terrestre. Questo insolito comportamento li rende un soggetto di studio interessante per migliorare la nostra comprensione del biomagnetismo e, potenzialmente, sfruttare le loro capacità per lo sviluppo di future tecnologie, come ad esempio i nanorobot medici.

Una collaborazione internazionale di ricercatori dall’Università dei Paesi Baschi, l’Università di Cantabria e l’Istituto Laue Langevin (ILL) ha studiato con precisione la disposizione e la geometria dei magnetosomi nella variante MTB Magnetospirillum gryphiswaldense. Utilizzando la scansione a neutroni a basso angolo (SANS) per mezzo di uno strumento in grado di operare con un fascio di neutroni polarizzato, i ricercatori hanno potuto analizzare sia le componenti strutturali che l’organizzazione magnetica – poiché i neutroni interagiscono con entrambe. I magnetosomi e i batteri magnetotattici sono importanti candidati per molte applicazioni, che variano dalla diagnostica biomedica ai trattamenti tumorali ipertermici. Determinare la configurazione magnetica dei magnetosomi è di importanza fondamentale per qualsiasi applicazione futura; tuttavia, è difficilissimo studiarla direttamente. La scansione neutronica a basso angolo con risoluzione dello spin neutronico (o “polarizzata”) è una delle poche tecniche in grado di indagare le nanoparticelle alla scala appropriata.

Immagine al microscopio elettronico di un batterio magnetotattico che mostra un magnetosoma, simile a un filo di perle scure all’interno del batterio. Vicino, c’è il modello del magnetosoma con la sua fila elicoidale di nanoparticelle (giallo). Il modello ingrandito mostra le forze che producono la struttura elicoidale  del magnetosoma: le frecce nere indicano la direzione della catena, le linee punteggiate bianche e le frecce rosse rappresentano il momento magnetico delle particelle, la freccia blu rappresenta la forza magnetica che agisce sulle particelle e la spirale verde è la forza elastica di bilanciamento delle proteine batteriche.
ILL

Utilizzando SANS, i ricercatori hanno ottenuto nuove informazioni sulla struttura della catena magnetosomica, della quale già si sapeva che è piegata. La sonda neutronica ha rivelato che il ripiegamento non influenza la direzione del campo magnetico risultante, ma costringe il momento magnetico delle singole particelle a deviare di 20 gradi dall’asse della catena. Una volta che si considera la deviazione, la combinazione delle interazioni tra i dipoli magnetici delle particelle, insieme con l’assemblaggio attivo delle proteine batteriche, spiegano la conformazione delle catene in una forma elicoidale: si tratta semplicemente della disposzione a più basso livello energetico. 

Queste scoperte, pubblicate sulla rivista Nanoscale, aiutano a comprendere meglio come il comportamento delle catene possa influenzare le applicazioni dei MTB. Ciò può indirizzare lo sviluppo di nanorobot biologici, che possono trasportare farmaci o condurre piccole operazioni all’interno del corpo. La catena magnetosomica dei batteri potrebbe fornire un movimento direzionato in un sistema di guida. In questo caso, la conformazione della catena sarebbe fondamentale perché possa funzionare correttamente e navigare in giro per il corpo. I nanorobot consentirebbero di condurre procedure medice minimamente invasive, risparmiando ai pazienti il trauma provocato dalla chirurgia invasiva.

Dirk Honecker, scienziato allo ILL al momento dell’esperimento e ora alla Sorgente Neutronica e Muonica ISIS, dice: “La scansione a neutroni è uno strumento prezioso per esaminare in grande dettaglio questi magnetosomi e altri materiali. La nostra apparecchiatura neutronica a basso anglo D33, con il suo fascio polarizzato, grazie al momento magnetico dei neutroni ci permette di analizzare sia le interazioni magnetiche che le strutture alla nanoscala. Con questa nuova informazione, ci siamo avvicinati ulteriormente alla capacità di utilizzare il potenziale di queste straordinarie nanostrutture prodotte dalla natura. Tra le applicazioni più entusiasmanti ci sono quelle mediche – le minuscole bussole batteriche possono essere usate per navigare attraverso il corpo umano e guidare i nanorobot per eseguire delle operazioni in organi o membra specifiche”.

Ringraziamenti

Questo articolo è stato pubblicato originariamente su ILL News.

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