编者按：

正文：

趋磁细菌（Magnetotactic bacterium）是一类能沿着磁力线运动的特殊细菌的通称，种类繁多、形态多样，已发现的有球菌、杆菌、弧菌、螺旋菌及多细胞聚集体等。趋磁细菌均为革兰氏阴性菌，广泛存在于海洋和淡水中，其主要特征是体内含有由蛋白脂膜包被的单磁畴磁颗粒—磁小体(Magnetosome)。趋磁细菌中的磁小体一般呈链状（单链或多链）沿细胞长轴排列，形成一个“生物指南针”，以感应磁场。在北半球发现的趋磁细菌向北运动；存在于南半球的趋磁细菌则向南运动；而在赤道附近的趋磁细菌则两种情况都有。趋磁细菌的趋磁方式一般可以分为两类：轴向趋磁和极向趋磁。轴向趋磁细菌一般是两端均生有鞭毛，可以顺磁场排列并前后泳动；而极向趋磁细菌一般是单端生鞭毛，只能顺磁场排列向前泳动。趋磁细菌中的磁小体主要由Fe₃O₄、FeS₂、Fe₃S₄、FeS等成分组成，35-130nm，大小均匀一致，正好处于稳定的单磁畴晶体范围内，是一种特殊的磁性纳米材料，有广阔的应用前景。

一、国内外研究现状

1963年意大利人S. Bellini首次报道发现了趋向磁北极的趋磁细菌，并推测其体内可能含有磁性物质。1975年，美国科学家Blakemore在研究海泥中的螺旋体时发现了趋磁细菌，并对此进行了系统研究，通过透射电镜观察证实其体内存在单磁畴的磁颗粒，结果发表在《SCIENCE》。1979年Blakemore又对一淡水来源的趋磁细菌进行了分离纯化培养，发现该微生物是微好氧型，在含硝酸盐且无氧条件培养的培养基中不能生长；在化学合成培养基中，如果密闭容器中空气比例为6％（V/V）或低于该值时，细胞能合成磁铁矿。

此后，其它国家与地区也相继发现、分离得到了多种类型的趋磁细菌，例如在海洋中分离到一种近似螺旋状的趋磁性弧菌，简称MV-1，该菌是趋磁细菌首次纯培养获得成功的典范，在微好氧及严格厌氧条件下都能合成磁小体。2004年，科学家发现在海边季节性成层盐湖中，小的微好氧Fe₃O₄型趋磁性球菌分布在化变层表层，而Fe₃S₄型趋磁细菌则分布在底部，同时在含硫化变层分离到一种新的Fe₃S₄型杆菌。

现在已分离并纯培养获得成功的趋磁细菌株主要有Magnetospirillum magnetotacticum MS-1、Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1、Magnetospirillum magneticum AMB-1等，它们都属于兼性微好氧菌，轴向趋磁，培养相对较容易，是目前研究人员进行趋磁细菌研究的模式菌种。另一种获得纯化培养的趋磁球菌MC-1是极向趋磁细菌。

趋磁细菌的研究主要关心的两个问题：趋磁细菌中磁小体是如何形成的？磁小体的功能是什么？

1、磁小体的形成

由于磁小体是一种特定的细胞内结构并执行特殊的功能，所以它们被视为独特的“原核细胞细胞器”。除磁小体之外，蓝藻细胞内的类囊体（thylakoid，光合反应中心）也可视作为原核生物“细胞器”。目前，人们对原核生物的类囊体形成机理的了解也十分有限。因而，研究磁小体这个特殊的原核生物“细胞器”具有重要的理论价值。要研究原核生物‘细胞器’的形成机理，一个关键性问题是特异性蛋白质的转移和定位。一般认为，膜状的细胞器结构是真核细胞所特有的，在细菌和古生物中缺乏。然而，趋磁细菌的磁小体结构因具有真核生物膜状细胞器的明显特点，已成为研究原核生物细胞器生物学的理想模式系统。

磁小体的磁晶体合成是一个非常复杂的生物催化反应过程。此过程包括金属离子及氧（或硫）输送，最终通过生物矿质化反应形成单磁畴晶体。不同的细菌菌种可以合成不同形状及化学成份的磁小体，其线度在35-130nm之间，正好处在稳定的单磁畴晶体范围内。一株给定的菌种所合成的大小均等的磁小体具有单一的化学组份和晶体特征。鉴于单磁畴晶体链的高同质性和特殊的结构，磁小体被认为只能在生命体内形成。因此，在火星陨石上观察到类似的单磁畴晶体链结构就被视为火星曾有生物体的佐证。另外，磁小体的合成机制研究对揭示生物矿化作用过程也有重要的意义。

最近的研究表明，在趋磁细菌中，磁小体是由内膜在特定的部位向胞内凹陷形成，并借助特定的类肌动蛋白纤丝排列成链，内膜凹陷和成链过程以及磁小体膜内磁铁矿颗粒的成分、晶形、粒度、排列等都在基因水平上受严格的控制。

2、磁小体的功能

尽管趋磁细菌的分布范围很广，但在某一特定的水样生长环境中，它只分布在有氧－无氧过渡区或其下方，在分布上形成具有明显比例特征的菌群。一个被广为接受的理论认为磁小体的功能是使细菌沿着地球磁力线向水下游动，逃避有害的高氧环境，寻找最佳含氧浓度和营养物。

有研究显示，趋磁细菌可能参与了一些自然界中重要元素如铁、氮、硫、碳等的生物地化循环过程。铁是细菌中的痕量元素，含量一般不超过0.025％，而趋磁细菌中铁的含量高达3.8％，因此，趋磁细菌可能具有在体内积累较高铁浓度的能力。

磁场对于生命活动的影响已得到科学家的广泛关注与认可，从地球上原始生命开始至今，生物的活动、进化都在地磁场中进行。地磁场的变化能够影响一些生物有机体的行为，除趋磁细菌外，人们还从昆虫、软体动物、鱼类、鸟类、人体中发现磁铁矿颗粒，它们可能是生物利用地磁场的磁感受载体。一些侯鸟、鱼类和海龟等动物能够利用地磁场定向导航，进行长距离迁徙，趋磁细菌也是利用磁小体在地磁场中定向和游移，因此研究趋磁细菌的趋磁特性对生物的磁导航研究也有启迪作用。

二、磁小体的应用

趋磁细菌合成的磁性晶体极其均匀，其均一性远远高于非生物合成的磁性晶体，加之磁小体呈生物膜囊结构，其生物膜是酶、药物、抗体、基因及其它生物活性分子的理想载体，因此磁小体的应用研究引起各国科学家包括微生物学家、物理学家、化学家等的广泛关注。美国、日本等国的学者竞相展开研究，并已取得很大进展，目前磁小体已在信息储存、医疗卫生、传感器等领域得到应用。在欧洲和美国已经将磁小体这种生物源磁性纳米材料用于细胞与分子的磁标记、磁分离和作为磁共振对比增强剂等，日本学者Matsunaga预计趋磁细菌的磁小体在未来的10年中将是高新技术应用中的一种新的生物资源。

1、细胞分离

细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术。传统的细胞分离技术主要采用离心法，利用密度梯度原理进行分离，时间长、效果差。随着合成磁性微球的发展，免疫磁性微球在分离细胞方面已经获得了快速的发展，经动物临床试验已获成功。其基本原理是：在免疫磁性微球上连接对特定细胞有亲和力的生物活性剂或者其他配体活性物质(如抗体、荧光物质、外源凝集素等)，将其放入待分离物中，免疫磁性微球将与特定的待分离细胞结合，利用外加高梯度磁场对磁性微球产生的磁力可将特定细胞分离出来。该类方法可以对细胞进行分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究。

磁性微球用于细胞分离需要考虑以下几个因素：不与非特定细胞结合、具有灵敏的磁响应性、在细胞分离介质中不凝结。目前利用铁磁流体或超顺磁性物质标记细胞已是体内细胞分离中日趋普遍的方法。

利用磁小体进行细胞分离有更突出的优点，原因是磁小体表面稳定的脂膜分子可以方便地用来与对特定细胞有亲和力的生物活性剂或者其他配体活性物质耦联。德国研制的人体细胞亚群临床分离自动分析仪CliniMACS即是使用磁小体作为载体材料。

2、磁标记

最近，由于对磁电子学研究的深入以及微纳加工技术的发展，一些新型的磁检测技术获得突破，使得其在生物芯片中的应用越来越受到人们的关注。目前研究较多的是基于巨磁电阻（GMR）效应的生物芯片和基于磁共振检测技术的生物芯片。

基于巨磁电阻（GMR）效应的纳米生物分子识别技术的基本原理是利用GMR传感器检测磁性微球的信号从而对待测生物分子进行识别。基本过程如下：将GMR传感器件加工在生物芯片上，其上绑定有特定的已知配体，能特异地与相应的靶分子结合；当与磁性微球非特异性结合的待测样品进入GMR传感器件所在的生物分子识别区时，样品溶液中能特异地与GMR传感器件上绑定的已知配体相结合的靶分子将固定在生物分子识别区，清除掉未结合的样品后，GMR传感器件将检测到靶分子上标记的磁微球产生的磁场信号，从而达到识别生物分子的目的。

基于磁纳米颗粒自组装特性的磁共振成像检测技术是利用磁纳米颗粒与生物分子自组装成较大的复合体前后对周围水分子中质子的自旋驰豫时间的影响来进行检测的一种新技术。其最主要的优点是不需要对待测生物分子进行标记，而且检测时无需引入电导线或光导纤维，使得对细胞、组织、个体的分子水平的微损或无损在体测量成为可能。

由于磁小体大小均一，而且容易与生物分子连接，因此在类似的应用中可能会取代人造的磁颗粒。

3、磁性药物靶向治疗

磁性药物靶向治疗是利用磁场将磁性药物聚集在病灶部位以提高药物浓度的一种新型肿瘤治疗方法。它借助于磁场使具有磁响应的药物聚集在靶部位，可以精确控制药物释放，延长药效，提高靶部位药物的浓度，降低药物对正常组织的毒性和副作用。

在磁靶向治疗研究中，磁性药物主要由磁性材料、高分子耦合剂和抗癌药物三部分构成，通过物理或化学的方法将抗癌药物、磁性材料包裹于高分子中。由于磁小体大小均匀程度较高，具有较大的比面值，特别是其表面稳定的脂膜分子可用来与药物稳定连接，因此利用磁小体进行磁靶向治疗具有很多优势。国内外多家单位在进行相关的研究。

我们课题组开展的磁性药物靶向治疗

4、磁靶向热疗

磁靶向热疗是通过外加交变磁场对导入肿瘤部位的纳米或微米级的磁性颗粒进行加热、从而杀死肿瘤细胞的一种靶向治疗方法。磁靶向热疗的概念是在1957年由Gilchrist等提出的。由于存在涡电流效应、磁滞效应、磁后效应、畴壁共振、自然共振等因素的影响，当外加交变磁场作用于铁磁物质时，可引起铁磁物质发热并导致其温度升高。该方法能够克服现有加热技术的不足，精确地将癌瘤组织加热到有效治疗温度(41-45℃)，并维持一定时间，从而确保癌细胞受到毁灭性的杀伤，与此同时，又避免靶区外正常组织的过热损伤。目前，德国柏林洪堡大学医学院夏里特医疗中心已推出了用于人体磁靶向热疗的电磁场装置样机，并进行了一些临床实验，使用的是超顺磁铁氧体的水溶液。

德国柏林洪堡大学医学院研制的磁靶向热疗系统示意图

由于磁小体是单磁畴晶体，在交变磁场下的磁滞效应会非常明显，因此人们期望利用磁小体进行磁靶向热疗。Rudolf Herget等人从MSR-1中提取了磁小体，在410kHz，10kA/m的交变磁场下测得了磁小体的比吸收率为960W/g，远大于超顺磁材料和铁磁性材料在300kHz，14kA/m的交变磁场中分别达到的209W/g和75W/g的比吸收率，表明磁小体在热疗方面有很大的应用潜力。我们实验室正在进行相关的探索。

三、趋磁细菌的应用

目前磁小体的应用主要是针对磁性纳米颗粒的一些应用平行展开。不可回避的是它们之间有重要的差别：广泛应用的人造磁颗粒一般为超顺磁材料，而单个的磁小体可以看成是小的永磁材料，多个磁小体在一起会发生团聚现象，影响其应用。可以设想在一些特殊场合，如果利用的就是磁小体的永磁特性则可能会更有意义。由于单独的磁小体或呈直线排列的磁小体链很难得到，因此直接利用趋磁细菌是一个方便可行的路径。另外，趋磁细菌具有非常好的磁响应特性，同时也有趋氧等特性，便于操控和集成，因此在微纳技术领域有潜在的应用价值。

由于趋磁细菌这种具有按照磁力线排列的特性。已经有研究开始关注于利用这一特性制作“细菌电路”，2004年哈佛大学H. Lee等人利用微电磁芯片研究了趋磁细菌MS-1在磁场下的运动情况。他们采用刻蚀的方法将导线排列在微米尺度上构成阵列，通过控制电流的变化来产生可调磁场，制作了微电磁场芯片，电镜观察发现在微电磁场芯片内可以捕获单个的趋磁细菌并且可以控制它的定向；对于一组趋磁细菌，通过电流的变化可以在微电磁场芯片内将其分离为四组，也可以再次合并为一组细菌。这种利用磁场对单个和多个趋磁细菌的运动进行精确导向控制的方法在MEMS中会有一定的应用。

2006年加拿大科学家S. Marte利用极性趋磁细菌MC-1 研制出细菌微型机器人，并且在微流道中加入磁场实现了对趋磁细菌的操控。

细菌微型机器人原理模型

在微流道中操控趋磁细菌

利用趋磁细菌进行发电也是一个非常有想象力的应用，目前国内外均有人在进行有关的尝试。

也有学者提出将趋磁细菌与微电极组装在一起，记录由于地磁场导致的细菌运动的变化所引起的电极上的电特性变化，由此得到地磁场方向和强度的信息，从而可以作为飞行或航海的导航器件。

总之，在MEMS技术中趋磁细菌的应用会是巧妙而有趣的。只要我们大胆想象，勇于实践，就有可能获得既有创新性又有广泛应用价值的成果。