Бактерии вирусы на магните

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Минакова Александра Владимировна, Лимаренко Николай Владимирович, Тринц Дмитрий Викторович

В статье рассматриваются реакции микроорганизмов на электромагнитное поле разных частот. Приведена классификация электромагнитного поля по частотному диапазону. Исследован механизм влияния различных частотных диапазонов на биологическую активность микроорганизмов . Установлено, что определенные частоты электромагнитного поля оказывают влияние на биологическую активность и биофизические процессы в бактериях.

IMPACT ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC FIELD ON BIOLOGICAL OBJECTS - ROD-SHAPED BACTERIA

The article considers the reactions of microorganisms to electromagnetic field of different frequencies. It provides the classification of electromagnetic fields according to frequency range as well as the research on the mechanism of influence of different frequency bands on the biological activity of microorganisms. It was set that certain frequencies of electromagnetic field influence biological activity and biophysical processes in bacteria.

АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ — ПАЛОЧКОВИДНЫЕ БАКТЕРИИ

А. В. Минакова, Н. В. Лимаренко, Д. В. Тринц

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация

В статье рассматриваются реакции микроорганизмов на электромагнитное поле разных частот. Приведена классификация электромагнитного поля по частотному диапазону. Исследован механизм влияния различных частотных диапазонов на биологическую активность микроорганизмов. Установлено, что определенные частоты электромагнитного поля оказывают влияние на биологическую активность и биофизические процессы в бактериях.

Ключевые слова: электромагнитное поле, микроорганизм, влияние, реакция.

IMPACT ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC FIELD ON BIOLOGICAL OBJECTS — ROD-SHAPED BACTERIA

A. V. Minakova, N. V. Limarenko, D. V. Trints

Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation

Keywords: electromagnetic field, microorganism, influence, reaction.

Введение. Развитие магнитобиологии неразрывно связано с исследованием влияния электромагнитных полей на биологические объекты. Получаемые в итоге прикладные результаты активно применяются в медицине: магнитотерапия зарекомендовала себя как эффективное средство лечения и профилактики различных заболеваний. Таким образом, представляется актуальным изучение влияния магнитных полей на живые организмы.

Целью работы является исследование реакции микроорганизмов (палочковидных бактерий) на влияние электромагнитного поля.

Основная часть. Анализ литературных источников позволяет сделать ряд утверждений. Так, воздействие электромагнитным полем крайне низкого диапазона 3-30 Гц (электромагнитный вакуум) влияет на удельную скорость ассимиляции карбонатного углерода в интервал времени, в течение которого не наблюдается видимое развитие микроорганизмов после заражения.

Обнаружены различия в организации клеток, формирование дополнительной надклеточной структуры в условиях электромагнитного вакуума вместе с образованием магниточувствительных включений. Предположительно, эта микрокристаллическая структура играет компенсаторную роль в приспосабливании бактерий к необычным электромагнитным условиям [1].

Воздействие электромагнитным полем в диапазоне от 30 кГц до 100 кГц на микроорганизмы вызывает агрессию палочковидных бактерий и увеличивает размножение [1].

Воздействие электромагнитным полем в диапазоне от 5 МГц до 25 МГц приводит к возникновению отрицательных зарядов (электронов) и изменению электромагнитной восприимчивости. В связи с этим магнитная энергия макромолекул может превышать энергию теплового движения. Поэтому электромагнитные поля даже в терапевтических дозах вызывают ориентационные и концентрационные изменения биологически активных макромолекул, что отражается на кинетике биохимических реакций и на скорости биофизических процессов [1].

Воздействие переменным низкочастотным электромагнитным полем на микроорганизм приводит к переориентации и деформации жидкокристаллических структур (мембран, митохондрий и др.) под влиянием электромагнитного поля. Это сказывается на проницаемости, играющей важную роль в регуляции биохимических процессов и выполнении ими биологических функций [2].

Следует отметить, что переменное высокочастотное электромагнитное поле и токи высокой частоты воздействуют на микроорганизмы аналогичным образом — в клетках развиваются схожие процессы. Но энергия магнитного поля реализуется преимущественно в процессах ионной проводимости и в формировании резонансных колебаний внутриклеточных элементов. Это приводит к внутриклеточному тепловыделению, а также к изменениям, не связанным с действием тепла, образующегося в тканях микроорганизма [3].

Выводы. На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

— воздействие частотами 3-30 Гц влияет на удельную скорость ассимиляции карбонатного углерода, в течение которой видимое развитие микроорганизмов не наблюдается;

— воздействие частотами 30-100 кГц оказывает влияние на агрессию палочковидных бактерий и усиливает размножение;

— воздействие частотами 5-25 МГц вызывает ориентационные и концентрационные изменения биологически активных макромолекул, что отражается на кинетике биохимических реакций и на скорости биофизических процессов.

Из сказанного следует, что воздействие электромагнитными колебаниями в зависимости от частотного диапазона их расположения оказывают либо стимулирующий, либо губительный эф-

фект. Соответственно, электромагнитные колебания могут выполнять функцию регулирования биологической активности, биофизических процессов, протекающих в палочковидных бактериях.

1. Абашина, Т. Н. Изменение структурной организации бактериальных клеток при стрессовых воздействиях. Философский анализ : автореф. дисс. . канд. биол. наук / Т. Н. Абашина. — Пущино, 2007. —128 с.

2. Пирузян, Л. А. Действие постоянных и низкочастотных магнитных полей на биологические системы / Л. А. Пирузян, А. Н. Кузнуцов // Изв. АН СССР. Серия биологическая. — 1983. — Т. 6. — С. 805-821.

3. Бинги, В. Н. Принципы электромагнитной биофизики / В. Н. Бинги. — Москва : Физмалит, 2011. — 592 с.

Количество научных областей применения магнетосом огромно: от медицины до геологии

МТБ: кто они такие?

Железо — один из самых доступных химических элементов на планете, являющийся жизненно необходимым для живых организмов. Биогеохимический круговорот железа включает в себя две основные реакции: восстановление и окисление, то есть взаимопревращения трехвалентного (Fe 3+ ) и двухвалентного (Fe 2+ ) железа (Fe 3+ ↔ Fe 2+ ).

Железо входит в состав ряда ферментов и переносчиков электронов, которые участвуют в процессах метаболизма: фотосинтезе, дыхании и т.д.

Микроорганизмы могут использовать различные формы железа в энергетических процессах в качестве доноров или акцепторов электронов. Однако для некоторых бактерий роль железа не ограничивается перечисленными функциями. Они способны продуцировать магнетосомы — магнитные кристаллы железа, покрытые мембраной и функционирующие как навигационные устройства. Такие бактерии получили название магнитотактических бактерий (МТБ) [1].

Магнитотактические бактерии повсеместно присутствуют в водных экосистемах и могут перемещаться вдоль линий магнитного поля. Все они микроаэрофилы или анаэробы, то есть предпочитают условия с небольшим содержанием кислорода или с его отсутствием [2].

Рисунок 2. Филогенетическое распределение МТБ.

Магнетосомы — уникальные органеллы, содержащие магнитные кристаллы соединений железа размером в несколько нанометров (рис. 3).

Существует 3 варианта нахождения магнитных кристаллов в клетках МТБ:

магнетит (Fe₃O₄);
грейгит (Fe₃S₄) или чередование грейгита и пирита (FeS₂);
чередование кристаллов магнетита и грейгита [7].

Рисунок 3. Наглядно о нанометре.

рисунок автора статьи

Размер магнетосом составляет приблизительно 35–120 нм [8]. Морфология, размер и внутриклеточная организация широко варьируют и специфичны для разных филогенетических групп МТБ (рис. 4).

Рисунок 4. Формы магнетосом. а — кубоктаэдрические; б и в — удлиненные призматические; г — зубовидные; д — пулевидные.

Синтез магнетосом регулируется сложным механизмом. В настоящее время выявлено более 40 различных генов, которые кодируют белки, связанные с этим процессом. Все гены, отвечающие за биоминерализацию магнетосом, собраны в одном месте в хромосоме — в так называемом магнетосомном геномном острове (МГО). Он состоит из нескольких оперонов. Оперон — это участок хромосомы с определенным набором генов, отвечающих за определенную функцию. Существует набор консервативных генов, которые присутствуют у всех МТБ: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ. Не все гены mam являются консервативными (например mamX). Также встречаются такие гены, как mad (например mad17), man (например man4) и mms (например mms6).

Магнетосомная мембрана содержит фосфолипидный бислой 3–4 нм толщиной, образованный путем инвагинации (впячивания) цитоплазматической мембраны клетки, а также специфические белки, отвечающие за синтез магнетосом (рис. 5).

Рисунок 5. Схема строения магнетосомы.

Формирование магнетосомной мембраны опережает зарождение кристаллов минерала. После того как сформировались магнетосомные везикулы, внутри них происходит накопление железа. Пока достоверно неизвестно, каким способом происходит транспорт железа к везикуле. Существуют три теории:

Железо входит в просвет везикулы из периплазмы диффузией или активным транспортом в тот момент, когда магнетосомная мембрана все еще находится в контакте с цитоплазматической мембраной клетки.
Перенос железа происходит с использованием общей (для всей клетки) системы переноса железа.
Железо переносится к везикуле, соединившись с органической молекулой.

После того как железо благополучно доставлено в магнетосомную везикулу, начинается следующая стадия — нуклеация, или зарождение кристаллов, которая регулируется специфичными для МТБ белками. Они располагаются на поверхности магнетосомной мембраны и внутри магнетосомной везикулы. Кристаллы в зрелых магнетосомах однородны и имеют узкое распределение по размеру и форме.

Параллельно нуклеации с помощью специального белка МamJ происходит прикрепление везикул к параллельным цитоскелетным нитям. Эти нити образованы актиноподобным белком МamK, который отвечает за чувствительность магнетосомной цепи к изменению подвижности клетки.

Таким образом образуется магнетосомная цепь (рис. 6) [9].

Рисунок 6. Этапы образования магнетосом. а — Клетка без магнетосом. б — Магнетосомные везикулы (красные круги). в — Транспорт железа в везикулы. г — Сборка магнетосомной цепи (звездочка — МamJ; зеленая пунктирная линия — нити МamK). д — Деление клетки. Магнитные силы уменьшаются при перегибании клеток и однонаправленном углублении клеточной стенки. е — Цепочки магнетосом перемещаются к центру клетки вдоль нити МamK.

Каждая магнетосома обладает магнитным моментом и представляет собой магнит с северным и южным полюсами [9]. Внутри клетки магнетосомы выстраиваются в цепочку и скрепляются между собой специальным структурным белком. Чем длиннее магнетосомная цепочка, тем больше магнитный момент и, соответственно, сильнее магнит. Магнетосомные цепи являются клеточными датчиками, улавливающими направление и градиенты магнитных полей.

Так для чего это нужно?

рисунок автора статьи

Магнитотаксис — разновидность аэротаксиса, по-другому называется магнитоаэротаксисом.

Анаэробы чувствительны к любым концентрациям кислорода, поэтому используют магнитотаксис для избегания областей, содержащих кислород.

Биотехнологическое применение магнетосом

Искусственные магнитные наночастицы представляют значительно бóльшую цитотоксичность и генотоксичность по сравнению с магнетосомами, и вероятность появления некроза тканей гораздо выше. Был проведен эксперимент, при котором в клетки вводили ИМН и магнетосомы. Клетки с магнетосомами могли поддерживать нормальную морфологию, в то время как клетки с ИМН разрушались. И магнетосомы, и ИМН могут вызывать повреждения в ДНК, однако повреждения, вызванные магнетосомами, контролируемые и обратимые. Напротив, повреждения, вызванные ИМН, были существенными и приводили к самоуничтожению клеток. Таким образом, бактериальные магнетосомы показали прекрасную цитосовместимость и обратимую генотоксичность [11].

Хотя большинство компонентов живых организмов является слабо диамагнитными, обнаружилось, что некоторые организмы несут в себе парамагнитные частицы (обычно магнетит). Например, кристаллы магнетита присутствуют в организме птиц, некоторых насекомых и даже человеческом мозге [12]. По одной из теорий они служат для ориентирования в магнитном поле Земли.

Благодаря своим уникальным свойствам (наличие фосфолипидного слоя, высокая кристалличность, сильная намагниченность, равномерное распределение формы и размера), а также высокой биосовместимости [13], [14], магнетосомы смогут полностью заменить искусственные магнитные наночастицы.

Рассмотрим некоторые области применения магнетосом.

Благодаря наличию мембраны на магнитном кристалле возможно связывание различных молекул с поверхностью магнетосомы. Помимо естественного образования магнетосом in vivo, существуют методы генной инженерии, с помощью которых изменяют биохимический состав наружной мембраны магнетосом. Перспективным направлением является создание магнетосом с модифицированной мембраной (рис. 8).

Мембрана магнетосом имеет на поверхности дополнительные карбоксильные и амидные группы, которые повышают гидрофильность и биосовместимость магнетосом. Поэтому при иммобилизации ферментов на поверхности магнетосомной мембраны их активность возрастает в десятки раз в отличие от иммобилизации на искусственных магнитных наночастицах.

Магнетосомы с иммобилизированными на поверхности антителами можно использовать в обнаружении и идентификации аллергенов и клеток рака [17].

Наночастицы с флюоресцирующими белками применимы для обнаружения и выделения других бактерий [16].

Отдельным направлением в медицине является использование магнетосом для доставки лекарственных препаратов в организме.

Магнитная сепарация клеток основана на использовании магнетосом, покрытых антителами, специфичными для интересующих клеток (рис.9). Она позволяет осуществлять выделение клеток непосредственно из биологических жидкостей (кровь, костный мозг и т.д.) Метод дает неограниченные возможности по выделению любых интересующих клеток. При этом очистка клеточной суспензии от магнитных частиц занимает сравнительно немного времени. Полученные клетки остаются жизнеспособными и готовыми к дальнейшим исследованиям методами микроскопии, цитометрии, культивирования и многих других [10].

Рисунок 9. Магнитная сепарация клеток с помощью магнетосом.

рисунок автора статьи

Разработана невирусная доставка молекулы ДНК в клетку с помощью магнетосом. Мембрану магнетосомы покрывали полиэтиленимином, который позволял связываться с молекулой ДНК [18].

Такие ДНК-вакцины не обладают цитотоксичностью [19]. После введения их в клетку обеспечивается синтез белков, которые вызывают иммунную реакцию. Метод доставки генов с помощью магнетосом является привлекательным для создания специфического иммунитета, а также противоопухолевой иммунотерапии [18].

Благодаря магнетосомам ожидается революция в диагностике и лечении многих заболеваний. Обнаружение патологий до появления клинических признаков требует применения новых методов молекулярной диагностики и инновационных технологий визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) [13]. МРТ — это метод визуализации, основанный на принципах ядерного магнитного резонанса, которые в первую очередь применимы в медицинских целях для получения высококачественных изображений происходящего внутри человеческого тела [18]. Для сверхчувствительной МРТ обычно используют контрастные агенты, которые повышают точность получаемого изображения. Так, используют магнитные наночастицы с однородными размером и формой. По этой причине магнетосомы могут использоваться в качестве высокочувствительных МР-контрастных агентов. Недавно французские ученые исследовали контрастную эффективность магнетосом при визуализации сосудистой сети мозга мыши и показали, что даже небольшая доза введенных магнетосом способствует получению хорошей картинки. Для сравнения они выбрали два вида контрастных веществ (искусственные магнитные наночастицы оксида железа и магнетосомы) и физиологическую сыворотку в качестве контроля [13]. Оказалось, что наибольшая магнитная активность наблюдалась у магнетосом, и, соответственно, ангиограммы были более наглядны (рис. 10).

Рисунок 10. Визуализация 3D-ангиограмм головного мозга мыши после инъекции клинической дозы контрастного вещества. Вверху — прединъекционные ангиограммы; внизу — постинъекционные ангиоргаммы. а — Инъекция 100 мкл физиологической сыворотки. б — Инъекция 100 мкл оксида железа, 20 мкмоль/кг. в — Инъекция 100 мкл магнетосом MV-1, 20 мкмоль/кг.

Магнитная жидкостная гипертермия (МЖГ) включает в себя инъекцию жидкости с магнетосомами непосредственно в место опухоли, а затем генерирование переменного магнитного поля вокруг опухоли. Суть метода заключается в том, что опухоль уничтожается за счет тепла, рассеиваемого магнитными наночастицами [20]. МЖГ предотвращает чрезмерное нагревание здоровых тканей, так как магнетосомы поглощают энергию магнитного поля [18]. Метод применяли на мышах и обнаружили его высокую противоопухолевую активность.

Геологические интересы

Магнетосомы применимы не только в биотехнологии. Они также стали предметом интереса геологии, палеонтологии, астробиологии.

Дело в том, что при отсутствии других источников магнетосомы могут быть почти единственными носителями остаточной магнитной индукции. Используя изотопный анализ и другие методы, можно судить о возрасте отложений и о том, происходили ли в тот период изменения в магнитном поле Земли. В итоге благодаря магнетосомам можно узнать о смене полюсов, истории их происхождения, движении тектонических плит и многом другом.

Магниторецепция вполне могла быть среди первых сенсорных систем у древних организмов, о чем свидетельствует наличие магнетосом в карбонатных структурах марсианского метеорита ALH84001. Их возраст около 4 миллиардов лет. Эта находка старше первых земных микроорганизмов почти на 500 миллионов лет, поэтому она стала причиной множества споров о возможном существовании МТБ на других планетах [21].

Выводы

Благодаря уникальной способности синтезировать магнитные частицы МТБ находят применение в различных областях науки и техники. По сравнению с искусственными магнитными наночастицами они имеют ряд преимуществ. Наличие биогенной мембраны позволяет легко присоединять различные молекулы, изменяя химические свойства магнитной частицы. Магнетосомы обладают высокой биосовместимостью и низкой токсичностью и имеют потенциал для использования при лечении различных заболеваний. Сейчас стремительно развиваются методы культивирования магнитотактических бактерий, поэтому продуктивность штаммов непрерывно повышается.

Учитывая темпы развития науки, вероятно, в ближайшие несколько десятилетий бактериальные магнитные наночастицы будут широко использовать в различных сферах нашей жизни.

Но давайте по порядку. У живых организмов есть много механизмов для ориентации в пространстве. Растения используют солнечный свет и силу тяжести, чтобы определить, в каком направлении нужно расти, птицы при миграции частично ориентируются на расположение солнца и звезд, ну а вы можете просто спросить дорогу у прохожего.

Некоторые животные используют для навигации геомагнитное поле Земли. У них есть что-то вроде встроенного компаса, который всегда подскажет дорогу. Этим методом способны пользоваться как крупные организмы вроде рыб или птиц, так и самые простые. Например, некоторые виды бактерий обладают магнитотаксисом, и за это их называют магнитотактическими.

Магнитотактические бактерии встречаются почти во всех классах группы протеобактерий (Proteobacteria) и Nitrospirae. Все они относятся к грамотрицательным бактериям: их клеточная мембрана двухслойная, в отличие от однослойной у грамположительных бактерий. Их находят повсеместно в пресных, солоноватых и морских водоемах. Большинство магнитотактических бактерий — мезофилы, то есть обитают при температуре от 20°C до 45°C. Однако в горячих источниках в северной Неваде (США) была обнаружена бактерия HSMV-1 из группы Nitrospirae, которая может существовать при температуре около 63°C — то есть классический термофил. Были также найдены несколько алкалифильных (любящих высокую щелочность) видов.

Впервые магнитотактические бактерии обнаружил в 1975 году микробиолог Ричард Блейкмор (не путать с гитаристом Ричи Блэкмором из Deep Purple!). Он изучал под микроскопом образцы болотной грязи и заметил странное поведение некоторых бактерий. Они, вместо того чтобы хаотично носиться туда-сюда по предметному стеклу, направлялись в одну и ту же сторону, к окну. Сначала ученый решил, что дело в солнечном свете от окна и что именно на него реагировали бактерии. Но перенос микроскопа в другую комнату ничего не изменил — направление движения оставалось прежним. Тогда Блейкмор предположил, что бактерии могли двигаться на север — именно туда выходило его окно. Он проверил свою теорию с помощью магнита и не поверил своим глазам: бактерии реагировали на магнитное поле! Когда ученый подносил к микроскопу магнит, микроорганизмы устремлялись по направлению к его северному концу, забывая про свою предыдущую траекторию. А как только магнит убирался, они начинали снова двигаться в сторону северного магнитного полюса Земли.

Как же им это удается? У магнитотактических бактерий есть маленькие органеллы — магнетосомы. Они возникают в результате выпячивания внутренней мембраны клетки и образования пустых пузырьков — везикул. После образования везикул происходит процесс биоминерализации, при котором в них накапливается большое количество железа. В зависимости от условий роста, более 99,5% всего внутриклеточного железа клетки может присутствовать в магнетосомах, на которые, в свою очередь, может приходиться более 4% от сухой массы клетки.

Точный способ попадания железа в везикулы неизвестен, но существуют два наиболее вероятных пути. Первый предполагает, что железо входит в просвет везикулы из периплазмы — пространства между внутренней и наружной мембранами клетки, когда магнетосомная мембрана все еще является частью цитоплазматической мембраны.

На схеме изображены два возможных способа доставки железа (Fe) в везикулы магнетосом. Первый способ — напрямую из периплазмы через просвет в полости везикулы. Второй — через цитоплазму с использованием специальных молекул-транспортеров (оранжевые и синие фигуры). OM — наружный слой клеточной мембраны, IM — внутренний. Рисунок из статьи L. Rahn-Lee, A. Komeili, 2013. The magnetosome model: insights into the mechanisms of bacterial biomineralization

Вскоре после того, как везикулы заполнились железом, клетка превращает их в кристаллы магнетита или его сульфидного аналога грейгита. Магнитный момент магнетита в несколько раз больше, чем у грейгита. Этим, вероятно, обусловлена его популярность у магнитотактических бактерий. Каждый кристалл представляет собой магнит с северным и южным полюсом. Бактерии укладывают кристаллы внутри себя в одну цепочку и закрепляют особым структурным белком, чтобы сделать один длинный магнит (совсем как стрелка у компаса). Чем больше кристаллов — тем магнит сильнее и чувствительнее к магнитному полю. Эту конструкцию бактериии используют для ориентации движения вдоль геомагнитного поля Земли.

Интересно, что во время клеточного деления цепочка магнитосом делится ровно пополам — часть остается у материнской клетки, а часть переходит к дочерней клетке. Затем в процессе роста они поглощают железо из окружающей среды и обе удлиняют свои магнетосомы до необходимой длины.

Магнитотактическая бактерия с магнетосомами (темные точки). В центре — увеличенное изображение магнетосом. В середине магнетосомы находится частичка магнита, покрытая магнетосомной мембраной (результат выпячивания внутренней клеточной мембраны). В единую цепочку комплекс магнетосом стабилизирован белком MamA. Рисунок из статьи N. Zeytuni et al., 2011. Self-recognition mechanism of MamA, a magnetosome-associated TPR-containing protein, promotes complex assembly

Зачем же бактериям нужен компас? Как и многие другие типы бактерий, магнитотактические бактерии не очень любят кислород и предпочитают жить в средах, где его концентрация как можно ниже. Большая их часть — микроаэрофилы: для нормального роста им требуется кислород, но в небольшом количестве. Избыток же действует на эти бактерии негативно, и они всегда стремятся избегать районов с его повышенной концентрацией. Поэтому их излюбленное место жительства — на границе кислородной и бескислородной зоны в водоемах. Они используют свой природный компас, чтобы определять, где низ, а где верх, варьировать глубину погружения и, таким образом, выбирать наиболее выгодные для себя условиях.

Встречаются и анаэробные виды, которые на дух не переносят кислород в любом его количестве. Они тоже используют магнитотаксис, чтобы уплыть как можно глубже, в бескислородную зону. Как раз среди таких бактерий чаще всего встречаются любители грейгита, так как для его создания не требуется кислород.

Магнитное поле Земли ориентировано более или менее вертикально везде, кроме экватора. Поэтому магнитотактические бактерии, ориентируясь на магнитное поле Земли, быстрее и легче мигрируют в области с низким содержанием кислорода, чем те бактерии, которые хаотично плавают во всех направлениях. В Северном полушарии бактерии стремятся к магнитному северу, а в Южном — к югу (напомним, что магнитные и географические полюса Земли не совпадают).

Направление магнитного поля Земли и ориентация магнитотактических бактерий в Северном и Южном полушариях. Рисунок из статьи S. Hussain, 2016. Nature’s Living Magnets: An unexpected tool to treat disease

Ориентирование магнитотактических бактерий основывается на комбинации магнито- и аэротаксиса. Магнитотаксис отвечает за то, чтобы бактерии плыли на глубину — чем глубже, тем меньше кислорода, — или вверх, если кислорода становится недостаточно. Аэротаксис контролирует его концентрацию и определяет, что условия уже вполне комфортны и пора бы остановиться.

Слева — схема водного столба с разделением на кислородную (Oxic), бескислородную (Anoxic) и промежуточную (OATZ — oxic–anoxic transition zone) зоны. Справа — увеличенная промежуточная зона, на которой показаны магнитотактические бактерии. Они используют свои магнетосомы для движения вдоль линий магнитного поля (пунктирные стрелки) и достижения зоны с оптимальной концентрацией кислорода. Иллюстрация из статьи D. H. Nies, 2011. How iron is transported into magnetosomes

Ученых интересует практическое использование магнитных бактерий. Конечно, ими не прицепишь любовное послание на холодильник, но зато можно найти массу других полезных применений. Например, как упоминалось в начале статьи, канадские исследователи показали, что можно использовать магнитотактические бактерии Magnetococcus marinus для доставки лекарств вглубь гипоксических (содержащих мало кислорода) зон опухолей. У M. marinus, как и у большинства магнитотактических бактерий, имеются жгутики для активного передвижения в водной среде. Эти похожие на маленькие хвостики структуры могут вращаться и работают как пропеллер, позволяя бактериям быстро плавать и легко менять направление. Кроме того, сферическая форма и небольшой размер (1–2 мкм) позволяет им без труда протискиваться в узкие (около 2 мкм) межклеточные пространства в опухоли.

Этот метод может не только снизить риски рецидивов, но и уменьшить токсичность лечения, так как лекарства будут распространяться не по всему организму, а только туда, куда их доставят бактерии.

Читайте также: