Bacterias magnetotácticas / Magnetotactic bacteria

Hoy me gustaría compartir con vosotros algo muy curioso y relativamente poco conocido. Se trata de unas bacterias capaces de orientarse y migrar a lo largo de las líneas del campo geomagnético. Estas bacterias, denominadas bacterias magnetotácticas (MTB), tienen un orgánulo procariota único formado por cristales magnéticos rodeados por una bicapa de fosfolípidos, el magnetosoma. Los magnetosomas hacen que las células se alineen de forma pasiva con las líneas del campo magnético de la Tierra y se desplacen a lo largo de las mismas. Casi todas las bacterias magnetotácticas colocan sus magnetosomas formando una cadena dentro de la célula maximizando así el momento dipolar magnético de la célula.

Magnetosomas alineados dentro de una célula (izquierda) y magnetosomas extraídos de la célula (derecha). Imagen extraída de Lower & Bazylinski (2013).

Generalmente estas bacterias nadan hacia el norte magnético en el hemisferio norte, al sur magnético en el hemisferio sur y en ambos sentidos en el ecuador geomagnético. Además se sabe que producen dos tipos de minerales: óxidos de hierro y sulfuros de hierro. Aquellas que producen óxidos de hierro solamente biomineralizan magnetita y las que sólo producen sulfuros de hierro biomineralizan greigita.

Salvatore Bellini documentó su existencia por primera vez en 1963. Observó al microscopio un grupo de bacterias que nadaba hacia el polo norte de la Tierra y las llamó «bacterias magnetosensibles«. Once años más tarde, Blakemore describió de forma independiente estos microorganismos y acuñó los términos magnetotaxis para el fenómeno y MTB para las bacterias. El descubrimiento de estas bacterias fue muy útil en diversos campos de investigación (microbiología, geología, mineralogía, cristalografía, química, bioquímica, física).

Desde su descubrimiento varios grupos de investigación han tratado de dilucidar el  mecanismo de formación de los magnetosomas. Un primer modelo propuesto por Schüler (2002) suponía que la formación del magnetosoma tiene tres etapas principales:

• Captar ion férrico extracelular a través de un paso reductor.
• El hierro se reoxida luego para formar un óxido hidratado de baja densidad que se deshidrata para formar una ferrihidrita de alta densidad.
• El paso final en la formación de magnetosoma es la biomineralización de la magnetita.

Formación de un magnetosoma. Extraído de Yan et al. 2012.

Las bacterias magnetotácticas se han utilizado en la eliminación de metales pesados ​​y radioisótopos de aguas residuales por separación magnética. Las partículas de magnetita bacterianas también se han usado para detectar ácidos nucleicos y provocar una reacción inmunológica. Además los magnetosomas pueden ser modificados para detectar moléculas específicas en análisis médicos y de diagnóstico. Recientemente, han sido utilizados como en tratamientos antitumorales como vehículos de fármacos durante la quimioterapia.

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Today I wanted to share with you something very cool and quite unknown. I am speaking about the magnetotactic bacteria (MTB), a diverse group of microorganisms with the ability to orient and migrate along geomagnetic field lines. These bacteria have a unique prokaryotic organelle comprising magnetic mineral crystals surrounded by a phospholipid bilayer, the magnetosome. Magnetosomes cause cells of magnetotactic bacteria to passively align and swim along the Earth’s magnetic field lines. Almost all magnetotactic bacteria arrange their magnetosomes in a chain within the cell there by maximizing the magnetic dipole moment of the cell.

Figure from Lower & Bazylinski (2013).

Generally, they swim to the magnetic north in the northern hemisphere, to the magnetic south in the southern hemisphere and both ways on the geomagnetic equator. MTB are known to produce two types of minerals: iron oxides and iron sulfides. Those that produce iron oxides only biomineralize magnetite and those that only produce iron sulfides biomineralize greigite.

These magnetotactic microorganisms were first documented by Salvatore Bellini as early as 1963. He microscopically observed a certain group of bacteria swam toward the Earth’s North Pole and hence named them “magnetosensitive bacteria”. Eleven years later, Blakemore (1975) independently described these microorganisms and coined the terms magnetotaxis for the phenomena and MTB for the bacteria. The discovery of MTB proved to have a serious impact in a number of diverse research fields including microbiology, geology, crystallography, chemistry, biochemistry, physics…

Many research groups have developed hypothesis of the mechanism of magnetosome formation. An early model proposed by Schüler (2002) assumes that the magnetosome formation comprises three major stages:

• The first step in the magnetosome formation is the uptake of extracellular ferric ion via a reductive step.
• Iron is then thought to be reoxidized to form a low density hydrous oxide which is dehydrated to form a high-density ferrihydrite.
• The final step in the magnetosome formation is the biomineralization of magnetite.

Figure from Yan et al. 2012.

Among MTB applications: they have been used in the removal of heavy metals and radionuclides from waste water by magnetic separation. Bacterial magnetite particles were also used as carriers of genes for the detection of nucleic acids and eliciting antigen-specific immunity. They have been shown to be useful in detecting molecular interactions in medical and diagnostic analyses. Recently, they have been used as potential drug carriers for antitumor treatments as chemotherapy drug carriers.

References:

The bacterial magnetosome: a unique prokaryotic organelle. Lower & Bazylinski, 2013.

Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application. Yan et al., 2012.