磁性細菌によって合成された弾丸形マグネトソームの磁気微構造に及ぼす結晶形状と配向の影響

ナノ 化学 無機化学 材料化学 材料科学 生命科学 微生物学
磁性細菌 マグネトソーム 結晶形状 磁気異方性 オフアクシス電子ホログラフィー 磁鉄鉱 ナノ結晶

磁気走性細菌（Magnetotactic Bacteria, MTB）は、磁気小体（magnetosomes）を生体鉱化する微生物です。磁気小体は膜で包まれた磁性ナノ結晶で、主に磁鉄鉱（Fe₃O₄）または硫鉄鉱（Fe₃S₄）で構成されています。これらの磁気小体は細菌の細胞内で鎖状または特定の方向に配列され、細菌に磁気双極子モーメントを与え、地球の磁力線に沿って方向運動を行う能力を提供します。この現象は磁気走性（magnetotaxis）と呼ばれます。磁気走性は、細菌が垂直な化学濃度勾配（通常は酸素勾配）の中で最適な位置を特定し維持するのに役立ちます。

磁気小体の磁性特性は、そのサイズ、形状、結晶配向、および空間配置によって決定され、これらの特性はナノ粒子の磁性を研究するための理想的なモデルとなっています。しかし、異なる菌株の磁気小体は異なる結晶形態と配向を持ち、特に弾丸形（bullet-shaped）の磁気小体は、磁鉄鉱の平衡形態から大きく逸脱しており、その形態の伸長軸は必ずしも結晶の磁気容易軸（<111>方向）と一致しません。したがって、弾丸形磁気小体の磁性微構造と結晶形状および配向の関係を研究することは、ナノ粒子の磁性挙動および磁気走性の進化を理解する上で重要です。

論文の出典

この論文は、András Kovácsら複数の研究機関の研究者によって共同で執筆されました。参加機関にはErnst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons、University of Pannonia、Guangxi University、Aix-Marseille Université、University of Nevada at Las Vegas、およびCalifornia Polytechnic State Universityなどが含まれます。論文は2024年3月4日にGeo-Bio Interfaces誌に掲載され、タイトルは《Influence of Crystal Shape and Orientation on the Magnetic Microstructure of Bullet-Shaped Magnetosomes Synthesized by Magnetotactic Bacteria》です。

研究のプロセスと結果

1. 研究目的と実験設計

本研究は、弾丸形磁鉄鉱磁気小体の磁性特性、特にその結晶形状と配向が磁性微構造に与える影響を分析することを目的としています。研究は、Desulfovibrio magneticus RS-1、Candidatus Magnetoovum mohavensis LO-1、およびCandidatus Thermomagnetovibrio paiutensis HSMV-1の3種類の磁気走性細菌菌株に焦点を当てています。これらの菌株は、それぞれ伸長軸が<100>（RS-1とLO-1）または<110>（HSMV-1）に平行な磁鉄鉱結晶を鉱化します。

2. 実験方法

研究では、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）、オフアクシス電子ホログラフィー（Off-Axis Electron Holography, EH）、電子回折（Electron Diffraction）、および電子断層撮影（Electron Tomography）などの先進技術が使用されました。オフアクシス電子ホログラフィーは、磁気小体の磁性位相シフトを測定し、磁性誘導分布と磁気双極子モーメントの定量データを取得するために使用されました。

a) サンプル調製

  • RS-1菌株：6リットルのバイオリアクターで培養し、改良されたDSMZ培地を使用しました。遠心分離と磁気分離によって磁気小体を精製し、最終的に磁気小体をTEMグリッド上に堆積させました。
  • LO-1とHSMV-1菌株：環境サンプルから磁気小体を抽出し、TEMグリッド上に直接堆積させ、細胞内での磁気小体の元の配列を保持しました。

b) 構造特性評価

  • TEMイメージング：FEI Titan ChemiSTEM装置を使用して高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡（HAADF-STEM）画像を記録し、磁気小体の形態と結晶構造に関する情報を取得しました。
  • 電子回折：電子回折によって結晶の伸長軸方向を確認しました。
  • 電子断層撮影：傾斜系列画像を使用して三次元再構築を行い、磁気小体の三次元形状と結晶面に関する情報を取得しました。

c) 磁性特性評価

  • オフアクシス電子ホログラフィー：FEI Titan 60-300 TEMで実施し、サンプルの磁化方向を反転させてホログラムを記録し、磁性位相シフトと平均内部ポテンシャルの寄与を分離しました。磁性誘導分布は磁性位相シフト画像から生成されました。

3. 主な結果

a) 結晶形態と構造

  • RS-1とLO-1菌株：磁気小体結晶の伸長軸は<100>に平行で、結晶の基部には通常、明確な八面体{111}面があります。
  • HSMV-1菌株：磁気小体結晶の伸長軸は<110>に平行で、結晶の基部は不規則で長軸に垂直です。
  • 結晶の曲がり：一部の結晶には曲がりが見られ、モデルには反映されていません。

b) 磁性特性

  • 単磁区状態：すべての磁気小体結晶は単磁区状態を示し、磁性誘導線は主に結晶の伸長軸と鎖軸方向に平行です。
  • 磁気双極子モーメントの測定：モデル非依存およびモデル依存の方法を使用して、磁気小体の磁気双極子モーメントと磁化強度を測定しました。例えば、LO-1菌株の1つの磁気小体の磁気双極子モーメントは4.07 × 10⁶ μBで、平均飽和磁気誘導強度は0.52 ± 0.04 Tで、純粋な磁鉄鉱の期待値（0.6 T）をやや下回りました。
  • 磁気相互作用：無秩序な鎖では、隣接する結晶間の磁気静電相互作用が磁性誘導線の方向に大きな影響を与え、結晶の伸長軸から逸脱させました。

4. 結論と意義

本研究は、定量磁性イメージングと測定を通じて、弾丸形磁鉄鉱磁気小体の磁性特性を明らかにしました。その結果、磁気小体の伸長形状と結晶間の磁気相互作用がその磁性挙動を決定する主要な要因であり、磁気結晶異方性の影響は比較的小さいことが示されました。この発見は、ナノ粒子の磁性理解を深めるだけでなく、磁気走性の進化に関する新たな視点を提供します。

さらに、研究は磁気小体結晶形態の遺伝的制御の問題を提起しました。磁気小体合成が特定の遺伝子クラスター（mamおよびmms遺伝子など）によって制御されていることは知られていますが、弾丸形磁気小体の異なる結晶伸長軸の遺伝的メカニズムはまだ不明です。将来のゲノム分析がこの問題の解決に役立つ可能性があります。

5. 研究のハイライト

  • 新しい磁性イメージング技術：オフアクシス電子ホログラフィーは、これまでで最高の空間分解能を持つ磁性微構造画像を提供しました。
  • 弾丸形磁気小体のユニークな特性：研究は初めて<100>および<110>伸長軸を持つ弾丸形磁気小体の磁性挙動を詳細に分析し、この分野の空白を埋めました。
  • 進化的意義：研究は、弾丸形磁気小体が磁気走性進化の初期形態である可能性を推測し、磁気走性の起源と進化に関するさらなる研究のための重要な手がかりを提供しました。

その他の価値ある情報

研究はまた、弾丸形磁気小体がバイオマーカーとしての可能性についても探求しました。弾丸形磁気小体は古代の進化系統の産物と考えられているため、岩石中での存在は特定の環境条件下での古細菌活動を示す可能性があります。しかし、堆積物中の磁鉄鉱の溶解プロセスは、バイオマーカーとしての信頼性に影響を与える可能性があるため、磁鉄鉱の成岩作用に関するさらなる研究が必要です。

この研究は、ナノ粒子磁性研究に新たな実験手法と理論的サポートを提供するだけでなく、磁気走性の進化と古環境研究の新たな方向性を切り開きました。