Los magnetosomas son estructuras membranosas presentes en las bacterias magnetotácticas (MTB). Contienen partículas magnéticas ricas en hierro que están encerradas dentro de una membrana bicapa lipídica. Cada magnetosoma a menudo puede contener de 15 a 20 cristales de magnetita que forman una cadena que actúa como la aguja de una brújula para orientar las bacterias magnetotácticas en campos geomagnéticos , simplificando así su búsqueda de sus entornos microaerófilos preferidos . Investigaciones recientes han demostrado que los magnetosomas son invaginaciones de la membrana interna y no vesículas independientes . [2] También se han encontrado magnetosomas que contienen magnetita en algas magnetotácticas eucariotas, y cada célula contiene varios miles de cristales.
En general, los cristales de magnetosoma tienen una alta pureza química, rangos de tamaño estrechos, morfologías cristalinas específicas de cada especie y exhiben disposiciones específicas dentro de la célula. Estas características indican que la formación de magnetosomas está bajo un control biológico preciso y está mediada por biomineralización .
Las bacterias magnetotácticas suelen mineralizar magnetosomas de óxido de hierro , que contienen cristales de magnetita ( Fe 3 O 4 ), o magnetosomas de sulfuro de hierro , que contienen cristales de greigita ( Fe 3 S 4 ). También se han identificado varios otros minerales de sulfuro de hierro en los magnetosomas de sulfuro de hierro, incluida la mackinawita (FeS tetragonal) y un FeS cúbico, que se cree que son precursores del Fe 3 S 4 . Se sabe que un tipo de bacteria magnetotáctica presente en la zona de transición óxico-anóxica (OATZ) de la cuenca sur del estuario del río Pettaquamscutt , Narragansett, Rhode Island , Estados Unidos, produce magnetosomas tanto de óxido de hierro como de sulfuro de hierro. [3] [4]
Las bacterias magnetotácticas son procariotas diversas, móviles y extendidas que biomineralizan un orgánulo único llamado magnetosoma. Un magnetosoma consiste en un cristal de tamaño nanométrico de un mineral de hierro magnético , que está envuelto por una membrana bicapa lipídica . En las células de la mayoría de las bacterias magnetotácticas, los magnetosomas están organizados como cadenas bien ordenadas. La cadena del magnetosoma hace que la célula se comporte como una aguja de brújula en miniatura móvil donde la célula se alinea y nada paralela a las líneas del campo magnético . [5]
El momento dipolar magnético de la célula suele ser lo suficientemente grande como para que su interacción con el campo magnético de la Tierra supere las fuerzas térmicas que tienden a aleatorizar la orientación de la célula en su entorno acuoso . Las bacterias magnetotácticas también utilizan la aerotaxis . La aerotaxis es una respuesta a cambios en la concentración de oxígeno que favorecerán la natación hacia una zona de concentración óptima de oxígeno. La concentración de oxígeno de los lagos u océanos suele depender de la profundidad. Si el campo magnético de la Tierra tiene una inclinación significativa hacia abajo, la orientación a lo largo de las líneas de campo ayuda en la búsqueda de la concentración óptima; este proceso se llama magneto-aerotaxis.
Las investigaciones han indicado la presencia de células magnetosomas dentro de los tejidos del cerebro humano. [6] Se supone que la biosíntesis de partículas de magnetita en vertebrados como los mamíferos es similar a la observada en células bacterianas, aunque no se proporciona evidencia. La diferencia entre los magnetosomas bacterianos y los magnetosomas humanos parece ser la cantidad de partículas de magnetita sintetizadas por célula, la agrupación de esas partículas dentro de cada organismo respectivo y el propósito de cada magnetosoma. Una especie de célula bacteriana magnetosómica puede tener 20 partículas magnéticas dispuestas linealmente en un orgánulo para cada miembro de la especie. Un ser humano puede tener entre 1000 y 10000 partículas magnéticas dispuestas en un grupo dentro de un orgánulo y solo una célula entre 5000 tiene dicho orgánulo. Finalmente, el orgánulo magnetosómico humano tiene una función desconocida que no pasa por detectar el campo magnético terrestre . [ cita necesaria ]
Las bacterias magnetotácticas utilizan un proceso conocido como biomineralización para ejercer un increíble grado de control sobre la formación de cristales minerales dentro de los magnetosomas. [7] [8] El proceso de biomineralización permite al MTB controlar la forma y el tamaño junto con la alineación de cada cristal de magnetita individual. Estos cristales de magnetita específicos son todos idénticos dentro de una especie, pero entre especies pueden variar en tamaño, estructura, formación, cantidad, pero no en propósito. Siempre se utilizan para seguir la atracción geomagnética hacia climas más agradables para las bacterias. [9]
Estos cristales de magnetita están contenidos dentro de una envoltura de orgánulo. Esta envoltura se conoce como magnetosoma. Dentro del orgánulo se pueden encontrar cristales ferrimagnéticos de magnetita ( Fe 3 O 4 ) o greigita de sulfuro de hierro ( Fe 3 S 4 ). Recientemente se han encontrado algunos otros compuestos magnéticos, pero son mucho menos comunes y no cambian el propósito del orgánulo.
Se han encontrado una veintena de proteínas en bacterias magnetotácticas que se utilizan específicamente para la creación de magnetosomas. Estas proteínas son responsables del control de la formación de vesículas, el transporte de iones magnetosomas y la cristalización de las magnetitas y su disposición en la vesícula particular. [10] La disposición de las magnetitas es crítica porque individualmente no son muy fuertes, pero cuando se unen en una cadena ordenada aumentan significativamente su fuerza. Hay otro conjunto de proteínas ácidas en el magnetosoma que se utilizan para crear un vínculo entre la vesícula y la estructura citoesquelética de la célula para ayudar al magnetosoma a mantener su forma.
Los cristales de magnetita están encerrados en el magnetosoma, lo que le da al MTB sus propiedades magnéticas. Estos cristales pueden estar hechos de óxido de hierro o de sulfuro. El MTB puede tener óxido de hierro o sulfuro, pero no ambos. A través de análisis del ARN de MTB se ha descubierto que ciertos subgrupos de Pseudomonadota en el dominio de las bacterias solo usan óxido de hierro, que es el material más común. Otra subdivisión más pequeña de Pseudomonadota que forma parte de una bacteria reductora de sulfuro utiliza sulfuro de hierro. Los científicos dicen que esto sugiere una evolución independiente del mismo rasgo. Los cristales de magnetita se han observado en tres morfologías diferentes: cuboide, rectangular y con forma de punta de flecha. [10]
Los cristales magnetotácticos varían en tamaño desde 30 nanómetros hasta 120 nanómetros. Este tamaño les permite ser magnéticamente estables y ayudar a optimizar la capacidad del MTB hacia la magnetotaxis. Los cristales de dominio único tienen el máximo momento magnético posible por unidad de volumen para una composición determinada. Un tamaño menor no sería tan eficiente para contribuir al momento magnético celular, los cristales de menor tamaño son superparamagnéticos , por lo tanto no son continuamente magnéticos. Los cristales que superan los 120 nanómetros pueden formar dominios magnéticos en oposición a la dirección deseada. Si bien una sola cadena de magnetosomas podría parecer ideal para la magnetoaerotaxis, varias bacterias magnetotácticas tienen magnetosomas o disposiciones de magnetosomas que se apartan de lo ideal. Un ejemplo reportado incluye magnetosomas grandes (de hasta 200 nanómetros) que se encuentran en células cocoides en Brasil. [10] Estas células contienen suficientes magnetosomas como para que el momento dipolar magnético calculado de la célula sea aproximadamente 250 veces mayor que el de un Magnetospirillum magnetotacticum típico. Algunas bacterias tienen magnetosomas que no están dispuestos en cadenas, sino que están agrupados en un lado de la célula. En esta disposición, la anisotropía de forma de cada cristal proporciona estabilidad contra la remagnetización, en lugar de la anisotropía de forma general en la disposición de la cadena del magnetosoma. Estas disposiciones no ideales pueden conducir a funciones adicionales de los magnetosomas, actualmente desconocidas; posiblemente relacionado con el metabolismo.
Cuando los cristales magnetotácticos están en una disposición inestable, todo el magnetosoma colapsará sin soporte adicional. El colapso puede ocurrir durante la diagénesis y la dolomitización . La forma del magnetosoma y las propiedades elásticas de las membranas biológicas son las que mantienen unidas las cadenas, así como la linealidad y la conexión con el citoesqueleto . En qué medida las geometrías afectan la estabilización de las cadenas de magnetosomas muestra que son intrínsecamente inestables. Se cree que la pared celular y las estructuras de membrana asociadas actúan para prevenir el colapso de la cadena del magnetosoma. Se han recopilado datos que indican que la linealidad del magnetosoma persiste mucho después de que las células se alteran. De acuerdo con observaciones anteriores, en algunos magnetococos, las cadenas de magnetosomas pasan a través del interior de la célula, lo que impide el contacto continuo con la pared celular e implica que existen estructuras de soporte adicionales en algunas especies. [11]
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