Некоторые животные используют магнитное поле Земли для ориентирования в пространстве. Они имеют своеобразный встроенный биологический компас. Так птицы безошибочно определяют направления сторон света при перелете, подобные способности открыты и у рыб, однако большой неожиданностью оказалось то, что на такое способны и самые элементарные живые организмы. Оказалось, что некоторые виды бактерий обладают специальными органеллами, которые могут улавливать и реагировать на магнитное поле, это так называемые магнитотактические бактерии.
Впервые подобные организмы были обнаружены микробиологом Ричардом Блейкмором в 1975. Изучая образцы донных отложений из болот, расположенных вдоль Атлантического побережья, он заметил, что некоторые бактерии ведут себя довольно странно. Вместо того, чтобы хаотично двигаться по стеклу, что свойственного большинству простейших организмов, они устремлялись в одну и ту же сторону. Первым предположением ученого было то, что бактерии ориентируются на солнечный свет, потому как они двигались именно в сторону окна, однако при переносе микроскопа в другую лабораторию ситуация не изменилась. Тогда ученый выдвинул предположение, что направление движения связано с расположением сторон света, ведь его окно выходило строго на север. Проверка данной гипотезы с помощью магнита привела к удивительным результатам: бактерии действительно могли реагировать на магнитное поле. При приближении источника сильного магнитного поля микроорганизмы тут же меняли направление движения и начинали плыть к нему.
Давайте разберемся в чем причина этого феномена. Дело в том, что у подобных бактерий есть определенные органеллы — магнетосомы, представляющие собой окружённый мембраной маленький кристаллик химически чистого вещества магнетита (Fe3O4) или грейгита (Fe3S4). Их появление связано с тем, что внешняя мембрана клетки начинает выпячиваться и образовывать пузырьки (везикулы). После их образования запускается процесс накачки железа, при котором в них накапливается достаточно большое количество этого металла.
Как только везикулы заполняются, клетка создает из них кристаллы магнитных минералов, указанных выше. Магнитный момент магнетита существенно превосходит магнитный момент грейгита и, вероятно, поэтому магнитотактические бактерии преимущественно образуют именно его. Формируя внутри себя цепочку из кристаллов и закрепляя специфическим белком, микроорганизмы создают один длинный магнит (похожий на стрелку компаса). Данная конструкция позволяет ориентировать движение движения вдоль геомагнитного поля Земли или вдоль магнитного поля любого другого внешнего магнита.
Зачем же бактериям такое удивительное приспособление? Вероятно, первоначальной функцией данных органелл было запасание и изолирование железа. В магнитосомах скапливаются токсичные ионы Fe2+. Магнитная ориентация стала уже вторичной функцией, оказавшейся очень полезной. Магнитотактические бактерии относятся к типу, которому не требуется большой объем кислорода. Большая часть из них являются микроаэрофилами. Это микроорганизмы, для нормального и комфортного роста которых необходимо небольшое количество кислорода. Избыток действует на них крайне отрицательно, и потому они стремятся избегать областей с большой концентрацией этого газа. Именно поэтому эти микроорганизмы обитают на границе кислородной и бескислородной зоны водоемов. В этой задаче им очень нужен их природный «компас», с его помощью они могут определить свое положение в пространстве и изменять глубину погружения. Таким образом, они могут выбрать наиболее комфортные условия для проживания.
Также среди этих бактерий присутствуют анаэробные виды, то есть те, которые не используют кислород для жизни, для них его присутствие вовсе губительно. Они тоже используют свои природные магнитные срелки, чтобы выбрать место как можно глубже в зоне, где отсутствует кислород. Именно такие бактерии начали вырабатывать минерал грейгит, где кислород заменен на серу.
Практическое использование подобных микроорганизмов сразу заинтересовало ученых. Исследования показали, что можно использовать магнитотактические бактерии Magnetococcus marinus для направленной доставки лекарств вглубь опухоли, так как некоторые зоны опухоли, называемые гипоксическими, содержат мало кислорода. У данных микроорганизмов имеются жгутики, с помощью которых они могут успешно передвигаться в водной среде. Эти отростки могут изгибаться и вращаться, подобно винту, что позволяет бактериям свободно плавать. Сферическая форма и относительно небольшой размер также играют положительную роль, так как это позволяет им с легкостью проникать в небольшие межклеточные пространства опухолей.
Был проведен эксперимент, ученые при помощи специальных молекул пришили к внешней оболочке бактерии очень маленькие пузырьки из жиров (липосомы), в которые был закачен специальный противоопухолевый препарат. После этого модифицированные бактерии ввели испытуемым животным (мышам) в ткань рядом с опухолью. С помощью трехмерного магнитного поля ученые управляли направлением движения бактерий, чтобы они приплыли как можно ближе к опухоли, потому что оказавшись там, они смогли бы самостоятельно определить место с наименьшим содержанием кислорода. Бактерии «чуяли» разницу в содержании кислорода и сразу устремлялись в сторону, где его меньше всего (а это место в самом центре опухоли). В результате больше пятидесяти процентов бактерий успешно добрались до новообразований и доставили лекарство.
Данный метод позволяет не только уменьшить токсичность противоопухолевых препаратов, обладающих крайне неприятными побочными действиями, но и повысить его эффективность за счет адресной доставки напрямую в новообразование.
Если вам понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал.