趋磁性细菌的研究与应用现状_代群威

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(收稿日期2004-10-23)
趋磁性细菌的研究与应用现状
四川省西南科技大学材料科学与工程学院　(621010)　代群威　董发勤
四川省绵阳市第四人民医院 (621000)　王　媛
摘要:趋磁性细菌是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌,其细胞内含有对磁场具有敏感性的磁小体,它起了导向的作用。

国内外已对其分离培养、菌体特性、基因遗传等方面进行了大量研究,并探讨了其在传感技术、临床医药、废水处理等多方面的应用,大大推动了人类在生物磁学领域的研究进展。

关键词:趋磁性细菌;磁小体;应用研究
自从美国生物学家布拉克莫尔(Blake more) 1975年首次发现了自然界存在一类奇特的微生物———趋磁性细菌[1],生物磁学的研究就翻开了崭新的一页,以趋磁性细菌为模式生物研究磁场对生物的影响,有助于阐明磁场对生物作用的机理和生物磁导向的本质,促进了生物磁学这门新兴交叉学科的发展。

趋磁性细菌在生长过程中吸收环境中的铁并经矿化作用转变成生物磁铁,这在地球化学上对探讨磁铁矿的成因也有一定的意义[2]。

趋磁性细菌的研究在我国起步较晚,本文主要介绍目前国内外这一领域的研究进展,旨在促进国内此方面工作的开展,以便更好地开发与利用这一新的微生物资源。

趋磁性细菌的特性
趋磁性细菌(magnetotactic bacterium)是一类能够沿着磁力线运动的特殊细菌,其细胞内含有对磁场具有敏感性的磁小体(magnetosomes),它起了导向的作用,并借助于自身的鞭毛来运动。

在上个世纪90年代,人们对趋磁性细菌进行了大量的研究,并且有了较大的进展[3-5]。

在北半球分离到的趋磁性细菌会向地理北极(即地磁南极S)移动;在南半球分离到的趋磁性细菌会向地理南极(即地磁北极N)移动;在赤道附近则既有趋向S极的也有趋向N极的[6]。

这样的趋性运动可帮助它们逃避有害的氧环境,向下泳动并停留在其生长的最适区域———微氧的泥水界面处[7]。

事实上趋磁性细菌在水底表层0～2cm处是丰富的,约2×104Cell/mL;人工培养时,如果外加磁强大于地磁几倍的话,某些种趋磁菌会形成带、区或波浪[8]。

趋磁菌除生存于微氧的水域环境中,还发现存在于土壤里。

Fassbinder等人[9]在South Bavaria一牧场土壤中(含水量40%)分离出趋磁菌,国内范国昌等[10]从西安段家坡黄土中也分离出弧形、杆形的趋磁菌,同时发现其分布与黄土剖面的土壤磁化率呈正相关性,即磁化率高的层位,其趋磁菌分布量较多,单个菌体内磁小体颗数也多,约15～20颗;在磁化率较低的层位则其分布量较少,单个菌体内磁小体数只有0～2颗。

趋磁性细菌的形态结构及分类
趋磁性细菌在水体中分布区域由水体中溶解性铁原浓度以及溶解氧或硫的浓度所决定。

趋磁性细菌的组成根据细菌种类不同而不同,一般可分为两类:一类是主要成分为Fe3O4的铁氧化型,另一类是主要成分为Fe3S4的铁硫化物型。

磁小体大小一般为25～100nm左右,正好处于稳定的半磁畴晶体范围内。

磁场取向易受热能影响,因而不产生残留磁化。

磁小体的磁矩比普通的顺磁性大得多,并具有超顺磁性的性质。

磁小体的单晶体性对细菌趋磁性是适宜的。

单个磁小体的形态和大小
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国家自然科学基金资助项目(编号:40072020)
可依细菌种类的不同而不同,因而磁小体的晶型便为磁细菌的种类特征。

目前观察到的磁小体晶型有平截六面体棱柱形、平面八面体棱柱形、泪滴形或雪片形。

磁小体表面包裹一层不易损伤的有机膜,其主要成分为磷酸酯、糖酯、胆碱酯、氨基酯和酰胺酯,其中58%为磷酸酯,而磷酸酯酰乙醇胺又占全部磷酸酯的50%。

表面膜所含脂肪酸包括三种饱和脂肪酸和两种不饱和脂肪酸,两种不饱和脂肪酸棕榈酸和油酸约占总脂肪量的90%。

有机表面膜可以防止磁小体的团聚,保持其高分散性和比表面积。

有机膜具有可进行共价键合的氨基,无需表面处理,可直接进行选择性修饰活化,以磁固化各种目的颗粒。

Lins,U.等[11]通过电子显微镜和速冻技术研究了趋磁性螺菌和来自海水中的未经培养的趋磁性细菌的超微结构,发现趋磁性螺菌表面有大量膜泡,且所有未经培养的趋磁性细菌表面均存在膜泡,认为膜泡是趋磁性细菌自然沉积中的一种普遍特性。

已发现的趋磁性细菌在形态上是多样的,有球菌、棒状杆菌、弧菌和螺菌等-生理代谢类型也是多种多样的,有厌氧型、微好氧型、兼性厌氧型和好氧型等[12]。

趋磁性细菌的分布及分离培养
趋磁性细菌在地球的南北半球都有分布,主要是由于地球本身就是一个大磁场,且分为两极,不同极性趋磁菌可分布在地球各地。

据文献报道,国外所发现的趋磁性细菌主要是在海洋沉积泥中及潮湿的草原土壤中。

如Blakemore在1975年发现的MS-1,该类菌是G-弧菌,厌氧生长,菌内磁小体含量较高,磁性物质主要是铁氧化合物及铁硫化合物。

我国南北淡水湖泊(如武汉东湖底淤泥和吉林镜泊湖淤泥)均分离出了趋磁性细菌,尤其在西安段家坡黄土、辽宁盖县棕壤土中也分离出了趋磁性细菌,且磁小体内含钴。

陈明杰等[13]研究表明5μmol/L的苹果酸铁能够促进趋磁性细菌WD-1合成和分泌铁载体-氧肟酸,外源铁浓度过高又能抑制其合成和分泌。

WD-1菌株在其生长过程中并不是均匀地合成和分泌铁载体,而是根据自身对铁的需求即可获得性铁源浓度调节铁载体的合成与分泌。

阮颖等[14]参照Matsunaga的设计原理,设计了如下趋磁性细菌收集器从与湖南农业大学相邻的东湖水域中采集泥水样,经过样品的富集、收集及培养获得一株趋磁性细菌。

国内南京大学的吴小玲等[15,16]在玄武湖水域发现一株G-球形趋磁性细菌XW-1和一株趋磁性弧菌,通过x射线能谱测试分析表明,磁小体为铁的氧化物。

范国昌等[17,18]从西安段家坡黄土剖面61个土样中,分离纯化出一株磁杆菌H MB-1,并对其磁性特点及磁小体的合成条件进行了研究;同时用X射线能谱分析测定了磁小体的组成成分,主要为铁和钴。

并得出了H MB-1生长及磁小体形成的最适培养基。

Bahaj,A.S.等[19-21]进行了大量有关研究,实现了趋磁性细菌的连续培养,同时进行了高梯度磁场对运动型和非运动型趋磁性细菌的分离,并指出高梯度磁场分离效果相对低强度定向磁场分离的效果好一些。

趋磁性细菌的生物化学研究
Gdrby等人[22]证实趋磁性细菌MS-1存在琉伯酸脱氢酶活性,卫扬保等[23]分离的趋磁性细菌WD-1能利用琥珀酸钠作碳源迸行生长。

实验结果表明,琥珀酸脱氢酶活性与磁小体合成有一定正相关性,酶活性高有利于磁小体合成,在还原反应中,当三价铁离子还原成二价铁离于时,所需的H +将来自NADH或琥珀酸,趋磁性细菌通过螫合剂从外界吸收铁,并在体内将三价铁还原成二价铁,再通过特定的生理生化反应合成磁小体,同时,琥珀酸脱氢酶是细菌产能代谢的关键酶之一。

Sakagguchi[24]研究了趋磁性细菌MS-1在好氧与微好氧条件下生长时,菌体内蛋白的组成变化,经SDS-PAGE的电泳比较,发现MS-1在微好氧条件培养时,能产生一种好氧条件没有的蛋白质,其功能还未确定。

Tamegai等[25]从MS-1中纯化到一种新型的血红素蛋白,而目它在趋磁性细菌中的含量大大超过非趋磁性细菌。

可以推断,这种新型血红素蛋白可能与细菌体内磁小体的合成有关。

Philipse A.P[26]等对趋磁性细菌的磁性胶体链的形成进行了研究,并对其稳定性进行了探讨。

趋磁性细菌的遗传学研究
在形成磁小体的遗传机制上,目前一致认为合成磁小体是趋磁菌的遗传特性,磁小体的大小、形状及排列方式具有种的特异性。

1993年Bazylins-ki[27]等报道了一种趋磁菌的同一条磁小体链中存在两种不同形态的磁小体(箭头形与长方形),各自都含有Fe3O4与Fe3S4,由此推测有两套基因分别控制Fe3O4与Fe3S4的形成。

Matsunaga[28]等人对趋磁菌之间基因的转移进行了研究。

CaCl2法未能把外源质粒pSUP1021转化进AMB-1中,因而改用广泛宿主质粒RP4进行基因转化。

用E.colis 17-1把pSUP1021质粒接合转移到MS-1和AMB -1菌株中。

实验结果表明,在AMB-1染色体上至少有三个区段是合成磁小体所必需的。

由于还不清楚合成磁小体直接要求的基因数目,所以实验中克隆的DNA可能是也可能不是直接参与磁小体
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合成的基因。

MS-1与AMB-1染色体DNA间具有同源性序列,更进一步表明磁小体合成的基因位于染色体上。

Grunberg,K等[29]也对趋磁性细菌基因进行了研究,结果表明试验所选的不同趋磁性细菌菌株含有同源基因,如Mam A、MamB等,并发现了趋磁性细菌中含有其它细菌所没有的基因,认为其对细菌磁小体的形成起着关键性的作用。

趋磁性细菌的应用研究
人们之所以对趋磁性细菌感到极大兴趣,在于存在于菌体内的磁小体,磁小体微细,大小均匀,且来自活体细胞,不会产生细胞毒性,因而可广泛应用于磁性材料的开发、生物工程技术、临床医药的研制和废水处理等领域。

1　磁性材料的开发
目前,在磁性记录材料中使用的磁颗粒大小不均、且需耗费大量能源在真空状态下把金属熔融,蒸发所得产品容量有限,也达不到高度保真。

如果用趋磁性细菌体内的磁小体作记录材料,在信息存储中应用的趋磁菌磁小体内于具有超微性、均匀性及无毒性等优点,不仅能将容量提高10倍,还可以达到高清晰,高保真的水平,对于生产性能均匀,品位高的磁性材料极为有利。

目前国外已开始致力于这种超高密度记录用磁带的开发[30]。

2　生物细胞与发酵产物的磁分离技术
磁小体表面的脂膜可选择性修饰,以磁性固载各种生物细胞,可使细胞磁性增强,通过磁选来加以分离,利用载体磁分离技术分离生物细胞简单易行、迅速、不破坏细胞结构,可应用于免疫学、细胞生物学和分子生物学方面。

许多发酵工程的后期工序常存在分离困难的问题,产品往往不纯,因为在分离过程中,不能完全清除杂质。

如果把磁小体用作酶或其它吸附剂的载体,则可对发酵液进行选择回收,提高其纯度和减少分离步骤。

3　临床医药的研制
外包有膜的磁小体与人工磁粒相比,具有颗粒小,均匀、不聚集等优点,同时膜上蛋白质的存在又使它能更好的结合受体,适合人体的生理需要,因而在医疗卫生上具有极大的开发利用价值。

目前对一些疑难杂症,特别是癌症的治疗,还存在许多问题,其中最突出的就是毒副作用,无论是生物疗法还是化学疗法往往在攻击癌细胞的同时,也伤及正常细胞,倘若能把药物或抗体固定在磁小体上,就可使磁微粒在外部磁场的诱导下,变成一支“运载火箭”,直接轰击靶区。

Matsunaga[31]等成功地将山羊红细胞与趋磁性细菌在40%的聚乙二醇中进行融合,使融合子具有磁敏感性,且在磁场中,磁性红细胞仍保持原来形态。

日本学者已成功地把酶和抗体固定在磁小体上,使之成为一支“运载火箭”,以药物等制成“弹头”,使生物导弹直接轰击病灶,而不损害生物有机体。

此外,磁小体还可用作体内的一些测试,如把它与葡萄糖氧化酶结合后直接注入血管内,可免去许多分析手续而直接、快速地测定血糖浓度。

4　在传感技术中的应用
国外有学者[32-33]已成功地将趋磁性细菌的磁小体用于新型生物传感器上。

他们将提纯的磁小体作载体固定葡萄糖氧化酶和尿酸酶,作为葡萄糖和尿酸生物传感器的组成部分,同时用人工磁粒,Zn-Fe颗粒做载体固定同样的酶,进行比较①酶固定量,②固定上的酶活,③重复使用5次后的酶活,结果表明:用磁小体作载体固定的酶量是其它两种载体固定的100倍;酶活比固定于人工磁粒或Zn-Fe颗粒上的高40倍;连续使用5次后,固定于磁小体的酶活力不变,而固定于另二种载体上的则明显降低。

5　废水处理
向废水中加入一定量的絮凝剂及趋磁性细菌,废水中的重金属离子等有害杂质与趋磁性细菌粘合在一起,利用高梯度磁选除去经磁固载的有害杂质。

另外,细粒的磁载体为细菌、病毒、藻类和其它有机成份提供了有效的吸附表面,并成为絮凝物凝聚的晶核,当这种有磁性的凝聚物通过高梯度磁滤器的钢毛滤层时被吸附,从而使细菌、病毒和藻类等从水中分离出来。

与普通的磁固化技术相比,趋磁性细菌具有固载能力强,载体与污泥容易分离,从而得以循环利用,因而可以克服利用细粒磁铁矿作载体处理废水的不足,大大提高处理效率和降低成本,从而推动微生物技术在工业废水和难降解的有机污染物处理中的实际应用[34-36]。

6　矿物分选
由于高品位矿石日益枯竭,开发高效技术来处理低品位矿石或从废料中回收有价成份已显得非常必要,这常常涉及到细粒和微细粒物料的处理。

随着颗粒粒度的减小,细颗粒的比表面及表面能增大,所以通过颗粒表面的控制技术来除去或回收微米或亚微米粒级的细粒物料时会遇到很多问题,如细粒物料的自团聚及化学药剂在细粒目的矿物上的低选择性吸附等。

利用载体磁选可以很好地解决细粒分选的问题,并在实际中得到应用。

传统载体磁选的载体制造成本高,性能稳定性差及低选择性导致载体磁选技术难以大规模应用于选矿实践。

趋磁性细菌是一种优良的天然磁载体,随着趋磁性细菌的大规模培养,载体磁选技术必将推动选矿工业的发展。

7　展望
总体来说,趋磁性细菌的相关研究越来越多,
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人们已开始探索其在各个领域的应用。

但由于目前还存在大规模生产较困难和单体细菌产磁小体数目少等因素,进展受到一定的限制。

目前的关键是将各种分离出的趋磁性细菌进行人工驯化培养,获得易培养和含磁小体数目多的菌株。

同时,应加强对其特性及磁小体形成机理的研究工作,以便今后用基因工程方法对磁小体进行大规模生产。

随着我们研究工作的不断深入,对趋磁性细菌的应用将会展现出更加美好的前景,相信它们将会大大促进人类有关生物磁学的研究以及其在未来人们生活各领域的应用。

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