Influence de la forme et de l'orientation des cristaux sur la microstructure magnétique des magnétosomes en forme de balle synthétisés par des bactéries magnétotactiques

Les bactéries magnétotactiques (Magnetotactic Bacteria, MTB) sont un type de micro-organismes capables de biominéraliser des magnétosomes. Les magnétosomes sont des nanocristaux magnétiques enveloppés par une membrane, composés principalement de magnétite (Fe₃O₄) ou de greigite (Fe₃S₄). Ces magnétosomes sont arrangés en chaînes ou dans des orientations spécifiques à l’intérieur des cellules bactériennes, conférant aux bactéries un moment dipolaire magnétique qui leur permet de s’orienter le long des lignes du champ magnétique terrestre, un phénomène appelé magnétotaxie (magnetotaxis). La magnétotaxie aide les bactéries à se positionner et à maintenir leur position optimale dans des gradients de concentration chimique verticaux (généralement des gradients d’oxygène).

Les propriétés magnétiques des magnétosomes sont déterminées par leur taille, leur forme, leur orientation cristalline et leur arrangement spatial, ce qui en fait un modèle idéal pour étudier le magnétisme des nanoparticules. Cependant, les magnétosomes de différentes souches présentent des morphologies et des orientations cristallines variées, en particulier les magnétosomes en forme de balle (bullet-shaped), dont la morphologie cristalline s’écarte significativement de la morphologie d’équilibre de la magnétite, et dont l’axe d’élongation ne coïncide pas nécessairement avec l’axe magnétique facile (<111>) du cristal. Par conséquent, l’étude de la microstructure magnétique des magnétosomes en forme de balle et de leur relation avec la forme et l’orientation cristalline est cruciale pour comprendre le comportement magnétique des nanoparticules ainsi que l’évolution de la magnétotaxie.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par András Kovács et d’autres chercheurs de plusieurs institutions, notamment Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons, University of Pannonia, Guangxi University, Aix-Marseille Université, University of Nevada at Las Vegas et California Polytechnic State University. L’article a été publié le 4 mars 2024 dans la revue Geo-Bio Interfaces sous le titre Influence of Crystal Shape and Orientation on the Magnetic Microstructure of Bullet-Shaped Magnetosomes Synthesized by Magnetotactic Bacteria.

Processus et résultats de la recherche

1. Objectifs de l’étude et conception expérimentale

Cette étude vise à analyser les propriétés magnétiques des magnétosomes de magnétite en forme de balle, en particulier l’influence de leur forme et de leur orientation cristalline sur la microstructure magnétique. La recherche se concentre sur trois souches de bactéries magnétotactiques : Desulfovibrio magneticus RS-1, Candidatus Magnetoovum mohavensis LO-1 et Candidatus Thermomagnetovibrio paiutensis HSMV-1. Ces souches minéralisent respectivement des cristaux de magnétite dont l’axe d’élongation est parallèle à <100> (RS-1 et LO-1) ou à <110> (HSMV-1).

2. Méthodes expérimentales

L’étude a utilisé diverses techniques avancées, notamment la microscopie électronique en transmission (Transmission Electron Microscopy, TEM), l’holographie électronique hors axe (Off-Axis Electron Holography, EH), la diffraction électronique (Electron Diffraction) et la tomographie électronique (Electron Tomography). L’holographie électronique hors axe a été utilisée pour mesurer le déphasage magnétique des magnétosomes, permettant ainsi d’obtenir des données quantitatives sur la distribution de l’induction magnétique et le moment dipolaire magnétique.

a) Préparation des échantillons

• Souche RS-1 : Cultivée dans un bioréacteur de 6 litres, en utilisant un milieu DSMZ modifié. Les magnétosomes ont été purifiés par centrifugation et séparation magnétique, puis déposés sur des grilles TEM.
• Souches LO-1 et HSMV-1 : Les magnétosomes ont été extraits d’échantillons environnementaux et déposés directement sur des grilles TEM pour préserver leur arrangement original dans les cellules.

b) Caractérisation structurelle

• Imagerie TEM : Des images HAADF-STEM (High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy) ont été enregistrées à l’aide d’un instrument FEI Titan ChemiSTEM pour obtenir des informations sur la morphologie et la structure cristalline des magnétosomes.
• Diffraction électronique : La diffraction électronique a confirmé l’orientation de l’axe d’élongation des cristaux.
• Tomographie électronique : La reconstruction tridimensionnelle a été réalisée à partir d’une série d’images inclinées, fournissant des informations sur la forme tridimensionnelle et les facettes des magnétosomes.

c) Caractérisation magnétique

• Holographie électronique hors axe : Réalisée sur un FEI Titan 60-300 TEM, en inversant la direction de l’aimantation de l’échantillon et en enregistrant des hologrammes pour séparer le déphasage magnétique de la contribution du potentiel interne moyen. La distribution de l’induction magnétique a été générée à partir des images de déphasage magnétique.

3. Résultats principaux

a) Morphologie et structure cristalline

• Souches RS-1 et LO-1 : Les cristaux de magnétosomes ont un axe d’élongation parallèle à <100>, avec une base cristalline présentant généralement des faces octaédriques {111} bien définies.
• Souche HSMV-1 : Les cristaux de magnétosomes ont un axe d’élongation parallèle à <110>, avec une base cristalline irrégulière et perpendiculaire à l’axe long.
• Courbure des cristaux : Certains cristaux présentent une courbure, non représentée dans les modèles.

b) Propriétés magnétiques

• État monodomaine : Tous les cristaux de magnétosomes présentent un état monodomaine, avec des lignes d’induction magnétique principalement parallèles à l’axe d’élongation du cristal et à l’axe de la chaîne.
• Mesure du moment dipolaire magnétique : Des méthodes indépendantes et dépendantes du modèle ont été utilisées pour mesurer le moment dipolaire magnétique et l’intensité d’aimantation des magnétosomes. Par exemple, un magnétosome de la souche LO-1 a un moment dipolaire magnétique de 4,07 × 10⁶ μB, avec une induction magnétique de saturation moyenne de 0,52 ± 0,04 T, légèrement inférieure à la valeur attendue pour la magnétite pure (0,6 T).
• Interactions magnétiques : Dans les chaînes désordonnées, les interactions magnétostatiques entre cristaux adjacents influencent significativement la direction des lignes d’induction magnétique, les faisant dévier de l’axe d’élongation du cristal.

4. Conclusions et implications

Cette étude, grâce à l’imagerie magnétique quantitative et aux mesures, a révélé les propriétés magnétiques des magnétosomes de magnétite en forme de balle. Les résultats montrent que la forme allongée des magnétosomes et les interactions magnétiques entre cristaux sont les principaux facteurs déterminant leur comportement magnétique, tandis que l’influence de l’anisotropie magnétocristalline est relativement moindre. Cette découverte approfondit non seulement la compréhension du magnétisme des nanoparticules, mais offre également de nouvelles perspectives sur l’évolution de la magnétotaxie.

De plus, l’étude soulève la question du contrôle génétique de la morphologie des cristaux de magnétosomes. Bien que l’on sache que la synthèse des magnétosomes est contrôlée par des clusters de gènes spécifiques (comme les gènes mam et mms), les mécanismes génétiques derrière les différents axes d’élongation des magnétosomes en forme de balle restent mal compris. Les futures analyses génomiques pourraient apporter des réponses à cette question.

5. Points forts de la recherche

• Technique d’imagerie magnétique innovante : L’holographie électronique hors axe fournit des images de la microstructure magnétique avec la plus haute résolution spatiale à ce jour.
• Propriétés uniques des magnétosomes en forme de balle : L’étude est la première à analyser en profondeur le comportement magnétique des magnétosomes en forme de balle avec des axes d’élongation <100> et <110>, comblant ainsi une lacune dans ce domaine.
• Implications évolutives : L’étude suggère que les magnétosomes en forme de balle pourraient représenter une forme précoce dans l’évolution de la magnétotaxie, offrant des indices importants pour comprendre l’origine et l’évolution de ce phénomène.

Autres informations utiles

L’étude explore également le potentiel des magnétosomes en forme de balle en tant que biomarqueurs. Étant considérés comme des produits de lignées évolutives anciennes, leur présence dans les roches pourrait indiquer l’activité de bactéries anciennes dans des conditions environnementales spécifiques. Cependant, les processus de dissolution de la magnétite dans les sédiments pourraient affecter leur fiabilité en tant que biomarqueurs, nécessitant des recherches supplémentaires sur la diagenèse de la magnétite.

Cette recherche fournit non seulement de nouvelles méthodes expérimentales et un soutien théorique pour l’étude du magnétisme des nanoparticules, mais ouvre également de nouvelles voies pour l’étude de l’évolution de la magnétotaxie et des environnements anciens.