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地材料球物理研讨所成功分离培育趋磁异养菌X

2019-09-23 07:45

趋磁细菌是细胞内基因控制合成生物膜包被、纳米尺寸、单磁畴磁铁矿颗粒的微生物。细胞内产生的磁性纳米颗粒称为磁小体,它们在细胞内一般呈链状排列,使细菌可以感受地磁场而沿地磁场磁力线游弋。因此,趋磁细菌被认为是生物地磁学和生物矿化作用研究的模式微生物。例如,在沉积物中保存的化石磁小体对于古地磁学、古环境重建及探索地球早期生命具有特殊意义;磁性强且稳定的磁小体可作良好的纳米材料被应用于生物医学工程、废水处理、磁存储介质和纳米传感器材料等。获得可培养趋磁细菌是精细研究趋磁细菌趋磁性、生物矿化和磁学的需要。然而,由于趋磁细菌对氧浓度梯度等要求苛刻,同其他微生物一样,趋磁细菌的分离和纯培养十分困难,一直是制约趋磁细菌研究的瓶颈。

磁小体是由趋磁细菌在细胞内合成的膜包被的Fe3O4或Fe3S4纳米晶体颗粒。晶形独特缺陷少、结晶完美纯度高、组装成链磁性强,是生物仿生制备新型生物源纳米磁性材料理想的“纳米反应器”。从磁学角度讲,常见的磁小体纳米磁铁矿在常温下的矫顽力多为~10-20 mT,属软磁材料。因此,如何利用趋磁细菌制备多功能化磁性纳米材料,如提高矫顽力和磁性等,是开展其生物纳米医学应用的关键。此外,在过去十年里,国外学者在“趋磁细菌生物矿化和磁小体可控制备”方面做了大量的探索性工作并取得了进展。然而,一些关键科学问题诸如:过渡族金属元素的掺入机制,它们在磁小体磁铁矿晶格中的原子占位和化学价态,以及磁小体中过渡族金属元素的掺入状态及其磁性改良机制并不清楚。

最近,中国科学院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室博士王寅炤和导师潘永信及其合作者,成功从沉积物中分离和培养了一株趋磁螺菌XM-1。样品采集于西安地区现代沉积物,沉积物经过毛细管收集后直接涂布于固体趋磁螺菌培养基并厌氧培养。经过反复尝试,成功实现分离和纯化出XM-1菌株。16S rRNA基因序列分析显示该菌株属于α-变形菌纲,与Magnetospirillum属的亲缘关系很近。透射电子显微学分析显示该螺菌细胞长平均约0.3±0.1μm,每个细胞内含有约10个磁小体颗粒,呈链状排列,磁小体为磁铁矿颗粒,磁小体尺寸为43.7 ± 12.9 nm。岩石磁学分析结果表明,磁小体的矫顽力和剩磁矫顽力分别为31 mT和42 mT,饱和剩磁和饱和磁化强度比值为0.47,为单磁畴颗粒;高精度一阶反转曲线图具有明显的中心脊分布特征,显示磁小体链具有极弱的静磁相互作用。

近期,中国科学院地质与地球物理研究所中-法生物矿化与纳米结构联合实验室副研究员李金华、研究员潘永信与法国合作者Nicolas Menguy教授、Philippe Sainctavit教授及其他合作者,综合采用微生物学、磁学、同步辐射和透射电子显微学等技术,对趋磁螺菌AMB-1磁小体磁铁矿的钴掺杂精细结构及其钴掺杂效应进行了系统研究,并取得以下发现:

此外,他们还通过结合生长效应面法和磁学方法优化了XM-1合成磁小体的能力。发现XM-1在以琥珀酸为单一碳源的培养基中生长,最大细胞干重可达0.37g/L,合成磁小体为7.1mg/L,比在未优化MSGM培养基中提高20多倍,这对于将来磁小体的规模化生产具有重要参考价值。

初始培养基中添加微量的钴能促进AMB-1细胞的生长和磁小体的合成。

该研究成果近期发表在国际微生物学期刊FEMS Microbiology Letters(Wang et al.Characterization and optimizing magnetosome production of new Magnetospirillum sp. XM-1 isolated from Xi’an City Moat, China. FEMS Microbiology Letters, 2015, 362: doi: 10.1093/femsle/fnv167)。

钴的添加能显著改变磁小体磁性,与Co相比,Co和 Co在常温和低温下的矫顽力(Bc)显著增大。

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同步辐射磁圆二色研究证实,Co磁小体为纯度相对高的磁铁矿,但其八面体位点上的Fe2+存在一定的空位,八面体位点上的Fe2+:四面体位点上的Fe3+:八面体位点上的Fe3+等于0.7:1.0:1.2。对于Co磁小体磁铁矿,八面体位点上的Fe2+进一步减少,Oh:Fe3+Td:Fe3+Oh = 0.575:1.00:1.28。

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对Co磁小体的Fe和Co的L2,3吸收边进行同步辐射X-射线吸收谱测量发现,该磁小体中含有Co(含量约为Fe的~4-6%)。进一步对Co 吸收边进行同步辐射XMCD测量以及拟合计算,结果证明,Co2+通过替代八面体位点上的Fe2+而掺入磁小体磁铁矿。

图1 趋磁螺菌XM-1及提纯磁小体的透射电子显微镜照片;趋磁螺菌XM-1;磁小体高分辨电镜照片;磁小体3D模型;磁小体晶格衍射图;提纯磁小体电镜照片;磁小体选区电子衍射图;XM-1细胞尺寸分布;每个细胞磁小体个数分布;磁小体平均尺寸分布。

利用同步辐射XMCD技术对Co磁小体的Fe L2,3吸收边、Co磁小体的Fe和Co L2,3吸收边开展“元素分辨率”的磁滞回线测量,结果证明,Co2+在磁小体磁铁矿八面体位点上的替代掺入能显著增强磁小体的矫顽力。Co磁小体中Fe和Co元素的XMCD磁滞效应差异可能表明,Co在同一个磁小体颗粒中掺杂存在不均一性,相对于颗粒内部,表面可能含有更多的Co,从而使磁小体的磁晶各向异性显著增强。透射电镜-电子色散X-射线能谱对同一个细菌内不同磁小体进行分析进一步证实,这种Co掺杂的不均一还存在于磁小体颗粒-颗粒之间。

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该研究对澄清钴元素在磁小体磁铁矿晶体的原子占位、化学价态,及其磁学效应提供了新的证据,对磁小体的磁性改良和在纳米生物医学中开展应用奠定了基础。

图2 趋磁螺菌XM-1全细胞的磁学性质;铁磁共振谱;低温有场/零场冷却曲线;室温磁滞回线;等温剩磁获得曲线和直流场退磁曲线;一阶反转曲线。

以上研究成果近期在线发表在英国皇家学会杂志Journal of the Royal Society Interface(Li et al. Controlled cobalt doping in the spinel structure of magnetosome magnetite: New evidences from element- and site-specific XMCD analyses, Journal of the Royal Society Interface, 2016, 13:doi. 10.1098/rsif.2016.0355)上。

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图1 趋磁螺菌AMB-1在三种不同[Co2+]培养基中生长及合成磁小体的透射电镜分析结果

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图2 不同[Co2+]培养基中合成磁小体的磁学测量结果。第一列是一阶反转曲线图,第二列是低温磁性测量曲线,第三列是不同温度下样品的磁滞回线。

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图3 缺钴和富钴培养条件下合成的磁小体Fe L2,3吸收边的同步辐射X-射线磁圆二色测量和理论拟合结果

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图4 富钴培养条件下合成的磁小体Fe和Co L2,3吸收边的同步辐射X-射线吸收谱和Co吸收边的磁圆二色图谱(黑色圆点代表测量值,红色线代表理论拟合结果)

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图5 磁小体的Fe和Co L2,3吸收边上的磁化曲线

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图6 磁小体在单颗粒水平上的TEM-EDX分析结果

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