Onderzoekers hebben lang magnetotactische bacteriën (MTB) bestudeerd, aquatische microben die zich kunnen oriënteren op magnetische velden. Dit ongewone gedrag maakt ze een onderwerp van belang voor het verbeteren van ons begrip van biomagnetisme, en mogelijk hun capaciteiten benutten voor toekomstige technologieën, zoals medische nanorobots. Neutronen zijn gebruikt om de kenmerken van dit magnetisme te onderzoeken door de gespecialiseerde delen van de betrokken cellen te onderzoeken.

MTB's oefenen hun magnetische navigatievaardigheden uit met behulp van magnetosomen - membraanstructuren die magnetische nanodeeltjes bevatten die de bacteriën uit hun omgeving mineraliseren. De magnetosomen zijn gerangschikt in een ketting die werkt als een magnetisch kompas, waardoor de bacteriën zich kunnen verplaatsen naar de rivierbeddingen die ze bewonen, met behulp van de magnetische velden van de aarde. Deze ongebruikelijke nanodeeltjes zijn onderzocht met neutronenbundels om de onderliggende mechanismen te ontdekken die de opstelling en geometrie van de ketens bepalen.

Een internationale samenwerking van onderzoekers van de Universiteit van de Baskenlanden, Universiteit van Cantabria en het Institut Laue Langevin (ILL) hebben de precieze structurele configuratie van de magnetosomen in de MTB-stam Magnetospirillum gryphiswaldense opgehelderd. Ze voerden kleine hoek neutronenverstrooiing (SANS) uit op een colloïde van MTB, een techniek waarmee ze de magnetische microstructuur van de organismen in detail in een waterige oplossing kunnen zien. Het D33-instrument werd gebruikt vanwege zijn gepolariseerde neutronenbundelmodus, waardoor de onderzoekers zowel de structurele componenten als de magnetische opstelling konden analyseren - mogelijk omdat neutronen met beide zullen interageren. Magnetische nanodeeltjes staan ​​centraal in veel toepassingen, variërend van biomedische diagnostiek tot dataopslag, en zelfs behandelingen voor hyperthermiekanker, maar de magnetische structuren binnen en tussen nanodeeltjes zijn een uitdaging om direct te onderzoeken. Neutronen-spin opgeloste kleine hoek neutronenverstrooiing is een van de weinige hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt om nanodeeltjes te onderzoeken.

SANS gebruiken, de onderzoekers hebben nieuw inzicht gekregen in de opbouw van de magnetosoomketen. Eerder werd waargenomen dat deze gebogen was, in plaats van recht, toch heeft neutronenonderzoek onderzoekers geholpen om dieper te onderzoeken wat er gebeurt. Neutronenonderzoek onthulde dat de bochten de richting van het netto magnetische moment niet beïnvloeden, maar laat het individuele magnetische moment van de nanodeeltjes 20 graden afwijken van de kettingas. Zodra de afwijking in aanmerking is genomen, het samenspel van de magnetische dipolaire interacties tussen de nanodeeltjes en het actieve assemblagemechanisme dat wordt geïmplementeerd door de bacteriële eiwitten, verklaart de conformatie van de ketens in een spiraalvorm:het is gewoon de laagste energierangschikking voor de magnetische nanodeeltjes.

Deze bevindingen, gepubliceerd in nanoschaal , een beter begrip te vergemakkelijken van de invloed van het ketengedrag op toepassingen van MTB. Ze zouden de ontwikkeling van biologische nanorobots kunnen sturen, die medicijnen kan afgeven of kleine operaties in het lichaam kan uitvoeren. De magnetosoomketen van de bacteriën zou kunnen zorgen voor gerichte beweging binnen het stuursysteem. In dit geval, de precieze conformatie van de ketting zou van cruciaal belang zijn om correct te functioneren en door het lichaam te navigeren. Nanorobots zouden het mogelijk maken om minimaal invasieve medische procedures uit te voeren, het verlichten van patiënten van veel van het trauma veroorzaakt door de huidige intrusieve chirurgische methoden.

Dirk Honecker, een instrumentwetenschapper bij het IBL, en co-auteur van de studie, zei, "Neutronenverstrooiing is een waardevol hulpmiddel om deze magnetosomen en ook andere materialen tot in detail te onderzoeken. Ons kleinhoek-neutroneninstrument D33 met zijn gepolariseerde bundelcapaciteit stelt ons in staat om de magnetische interacties en de nanoschaalstructuren te analyseren, dankzij het magnetische moment van neutronen. Met deze nieuwe informatie we komen een stap dichter bij het benutten van het potentieel van deze verbazingwekkende nanodeeltjes die door de natuur worden geproduceerd. Een van de meest opwindende toepassingen zijn die met betrekking tot medicijnen - het kleine kompas in de bacteriën kan worden gebruikt om door het menselijk lichaam te navigeren, en begeleiden nanorobots om taken uit te voeren in specifieke organen of ledematen."