Mit adtak nekünk a mágneses baktériumok? – Pósfai Mihály rendes tag székfoglaló előadása

A tudományban olykor egy jelentős felfedezés a véletlen szerencsének köszönhető. Ilyen, előzmények nélküli felfedezést tett Richard Blakemore, aki 1975-ben tengeri baktériumokat figyelve megállapította, hogy a sejtek egy csoportja a mágneses tér iránya által meghatározott mozgást végez. A jelenséget magnetotaxisnak nevezte el, és azt is észrevette, hogy a sejtek orientálódása a bennük lévő „magnetoszómáknak”, biológiai membránnal burkolt, vasban gazdag nanorészecskéknek köszönhető. A felfedezés több szempontból is jelentős tudományos újdonságnak bizonyult: első ízben sikerült kimutatni egy „hatodik érzék”, a mágneses tájékozódás képességének mechanizmusát; prokariótákban „sejtszervek” jelenlétét; és rögtön felmerült, hogy a mágneses baktériumok mind a bioásvány-képződés, mind a nanomágnesség legegyszerűbb modelljének tekinthetők.

Pósfai Mihály Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Képgaléria a székfoglaló előadásrólA felfedezés nyomán a mágneses baktériumok kutatása több tudományágban bontakozott ki, és mára ezek a kutatási irányok egy terebélyes fa ágaiként is szemléltethetők. Pósfai Mihály előadásában az egyes „faágak” – ásványtan, szilárdtest-fizika, geofizika, mikrobiológia, molekuláris biológia és alkalmazott anyagtudomány – mentén haladva mutatta be, hova jutott el 42 év alatt a mágneses baktériumok kutatása, milyen fontosabb tudományos eredmények születtek, és ezek hogyan hatottak az adott diszciplínában a kutatás módszertanára, szemléletére. Az előadásban külön hangsúlyt kaptak a Pannon Egyetemen működő környezeti ásványtan kutatócsoport elmúlt hat évben elért eredményei; az alábbiakban ezekből adunk ízelítőt.

A mágneses baktériumok sejtjei olyan modellrendszereknek tekinthetők, melyekben a mágnesség nanométeres léptékben tanulmányozható. A baktériumok ugyanis 30 és 120 nm közötti méretű, az adott baktériumtörzsre jellemző alakú, ferrimágneses vas-oxid (magnetit) vagy vas-szulfid (greigit) kristályokat választanak ki sejtjeikben. A kristályok általában láncokba rendezetten fordulnak elő, ezzel biztosítva a sejt orientációját a Föld mágneses terével párhuzamosan. Különlegesség, hogy bár a magnetit egyensúlyi morfológiája az oktaéder, egyes baktériumtörzsek hosszúkás, kúposan végződő kristályokat gyártanak.

Mivel a lövedékhez hasonlító alakú kristályok megnyúlási iránya törzsenként más-más lehet (a kristálytani [111], [100] vagy [110] irány), a sejtek kiválóan használhatók a mágnességet meghatározó tényezők – doménméret, alak-, illetve kristálytani anizotrópia, a részecskék közötti magnetosztatikus kölcsönhatások – hierarchiájának meghatározására. A Gábor Dénes által feltalált elektronholográfia módszerével a lövedék alakú kristályokról sikerült kimutatni, hogy mindegyikük egy mágneses domént tartalmaz, és hogy a megnyúlás kristálytani irányától függetlenül a kristályokban indukált mágnesség a hossztengelyükkel párhuzamos. A rendezetlen láncok vizsgálata alapján az alak-anizotrópia hatását felülírhatja a nanokristályok közötti magnetosztatikus kölcsönhatás.

Kristálytani-ásványtani szempontból az egyik legizgalmasabb kérdés, hogyan szabályozza a baktérium a kristálymorfológia kialakulását. A kérdés megválaszolásához a kristályképződést szabályozó magnetoszóma-membránfehérjék szerepének megismerése vezethet. Az utóbbi évek egyik érdekes eredménye, hogy molekuláris biológiai vizsgálatok szerint a mágneses baktériumok és a magnetoszóma-membránfehérjék evolúciója párhuzamosan zajlott, ezért a rendszertanilag sokféle mágneses baktérium (és a magnetotaxis képessége) egy közös ősre vezethető vissza. Mindezt közvetve a különböző kristálymorfológiák rendszertani pozíciója is alátámasztani látszik: az erősen nem-egyensúlyi, lövedékmorfológiájú kristályokat az ősibbnek feltételezett deltaproteobaktérium és a Nitrospira rendszertani egységbe tartozó baktériumok, míg az egyensúlyi morfológiához közelebb álló kubooktaéderes kristályokat a fiatalabbnak tartott alfa- és gammaproteobaktériumok választják ki. Ily módon akár a „kristálymorfológiák evolúciójáról” is beszélhetünk.

A mágneses baktériumok a biomimetikus kristályszintézishez is alkalmas modellt adnak. A magnetit-nanokristályok a „magnetoszóma-membrán” felületén mint templáton válnak ki. Ismertek olyan magnetoszóma-membránfehérjék (MamI, Mms6), amelyek feltételezhetően kiváltják a magnetit-kristálycsírák kicsapódását a membránon. E fehérjék funkcionális részét génsebészeti technikákkal az önszerveződésre képes, filamentumokat alkotó flagellin fehérjébe építve, majd a létrehozott fúziós fehérjéket Salmonella gazdasejtekben termeltetve olyan módosított filamentumok hozhatók létre, melyek felületükön tartalmazzák a specifikus magnetitkötőhelyek ezreit. A mutáns filamentumokon kétféle eljárással – előre szintetizált magnetit-nanokristályok hozzáadásával, illetve vasionokat tartalmazó oldatból a magnetit-kristálycsírák kicsapásával – magnetit-nanorészecskéket kötöttek meg. A létrehozott mágneses nanoszálak érdekes fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek: például a szuszpenziójuk viszkozitása mágneses térben többszörösére nő.