子弹形磁小体的晶体形状和取向对磁性微结构的影响

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磁趋磁细菌（Magnetotactic Bacteria, MTB）是一类能够生物矿化磁小体（magnetosomes）的微生物。磁小体是由膜包裹的磁性纳米晶体，主要由磁铁矿（Fe₃O₄）或硫铁矿（Fe₃S₄）组成。这些磁小体在细菌细胞内排列成链状或特定方向，赋予细菌磁偶极矩，使其能够沿着地球磁场线进行定向运动，这一现象称为磁趋性（magnetotaxis）。磁趋性帮助细菌在垂直化学浓度梯度（通常是氧气梯度）中定位和维持其最佳位置。

磁小体的磁性特性由其大小、形状、晶体取向和空间排列决定，这些特性使其成为研究纳米颗粒磁性的理想模型。然而，不同菌株的磁小体具有不同的晶体形态和取向，尤其是子弹形（bullet-shaped）磁小体，其晶体形态与磁铁矿的平衡形态存在显著偏差，且其形态伸长轴不一定与晶体的磁易轴（<111>方向）一致。因此，研究子弹形磁小体的磁性微结构及其与晶体形状和取向的关系，对于理解纳米颗粒的磁性行为以及磁趋性的进化具有重要意义。

论文来源

这篇论文由András Kovács等来自多个研究机构的学者合作完成，包括Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons、University of Pannonia、Guangxi University、Aix-Marseille Université、University of Nevada at Las Vegas和California Polytechnic State University等。论文于2024年3月4日发表在Geo-Bio Interfaces期刊上，题为《Influence of Crystal Shape and Orientation on the Magnetic Microstructure of Bullet-Shaped Magnetosomes Synthesized by Magnetotactic Bacteria》。

研究流程与结果

1. 研究目标与实验设计

本研究旨在分析子弹形磁铁矿磁小体的磁性特性，特别是其晶体形状和取向对磁性微结构的影响。研究聚焦于三种磁趋磁细菌菌株：Desulfovibrio magneticus RS-1、Candidatus Magnetoovum mohavensis LO-1和Candidatus Thermomagnetovibrio paiutensis HSMV-1。这些菌株分别矿化伸长轴平行于<100>（RS-1和LO-1）或<110>（HSMV-1）的磁铁矿晶体。

2. 实验方法

研究采用了多种先进技术，包括透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）、离轴电子全息术（Off-Axis Electron Holography, EH）、电子衍射（Electron Diffraction）和电子断层扫描（Electron Tomography）。离轴电子全息术用于测量磁小体的磁性相移，从而获得磁性感应分布和磁偶极矩的定量数据。

a) 样品制备

  • RS-1菌株：在6升生物反应器中培养，使用改良的DSMZ培养基。通过离心和磁性分离纯化磁小体，最终将磁小体沉积在TEM网格上。
  • LO-1和HSMV-1菌株：从环境样本中提取磁小体，直接沉积在TEM网格上，以保持磁小体在细胞内的原始排列。

b) 结构表征

  • TEM成像：使用FEI Titan ChemiSTEM仪器记录高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，获得磁小体的形态和晶体结构信息。
  • 电子衍射：通过电子衍射确认晶体的伸长轴方向。
  • 电子断层扫描：通过倾斜系列图像进行三维重建，获得磁小体的三维形状和晶面信息。

c) 磁性表征

  • 离轴电子全息术：在FEI Titan 60-300 TEM中进行，通过反转样品磁化方向并记录全息图，分离磁性相移和平均内势贡献。磁性感应分布通过磁性相移图像生成。

3. 主要结果

a) 晶体形态与结构

  • RS-1和LO-1菌株：磁小体晶体伸长轴平行于<100>，晶体基部通常具有明显的八面体{111}晶面。
  • HSMV-1菌株：磁小体晶体伸长轴平行于<110>，晶体基部不规则且垂直于长轴。
  • 晶体弯曲：部分晶体存在弯曲现象，未在模型中体现。

b) 磁性特性

  • 单磁畴状态：所有磁小体晶体均表现为单磁畴状态，磁性感应线主要平行于晶体伸长轴和链轴方向。
  • 磁偶极矩测量：通过模型独立和模型依赖的方法，测量了磁小体的磁偶极矩和磁化强度。例如，LO-1菌株的一个磁小体的磁偶极矩为4.07 × 10⁶ μB，平均饱和磁感应强度为0.52 ± 0.04 T，略低于纯磁铁矿的预期值（0.6 T）。
  • 磁相互作用：在无序链中，相邻晶体之间的磁静相互作用显著影响磁性感应线的方向，使其偏离晶体伸长轴。

4. 结论与意义

本研究通过定量磁性成像和测量，揭示了子弹形磁铁矿磁小体的磁性特性。结果表明，磁小体的伸长形状和晶体间的磁相互作用是决定其磁性行为的主要因素，而磁晶各向异性的影响相对较小。这一发现不仅深化了对纳米颗粒磁性的理解，还为磁趋性的进化提供了新的视角。

此外，研究还提出了磁小体晶体形态的遗传控制问题。尽管已知磁小体合成由特定的基因簇（如mam和mms基因）控制，但子弹形磁小体的不同晶体伸长轴的遗传机制仍不明确。未来的基因组分析可能为这一问题的解决提供线索。

5. 研究亮点

  • 新颖的磁性成像技术：离轴电子全息术提供了迄今为止最高空间分辨率的磁性微结构图像。
  • 子弹形磁小体的独特性质：研究首次深入分析了<100>和<110>伸长轴子弹形磁小体的磁性行为，填补了该领域的空白。
  • 进化意义：研究推测子弹形磁小体可能是磁趋性进化的早期形态，为进一步研究磁趋性的起源和进化提供了重要线索。

其他有价值的信息

研究还探讨了子弹形磁小体作为生物标志物的潜力。由于子弹形磁小体被认为是古老进化谱系的产物，其在岩石中的存在可能指示了特定环境条件下的古细菌活动。然而，磁铁矿在沉积物中的溶解过程可能影响其作为生物标志物的可靠性，因此需要进一步研究磁铁矿的成岩作用。

这项研究不仅为纳米颗粒磁性研究提供了新的实验方法和理论支持，还为磁趋性进化和古环境研究开辟了新的方向。