研究揭示趋磁细菌如何通过磁链协同实现稳定磁响应及细胞间连接

中新网北京9月30日电 (记者 孙自法)地磁场像一张覆盖全球的“坐标网”，持续为生物提供方向信息，作为其中的“活罗盘”，趋磁细菌如何构建磁性纽带？一直以来备受学界关注。

中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员领衔并联合德国、澳大利亚、英国、法国、加拿大等合作者，以西安未央湖发现的一株单细胞趋磁弧菌(WYHV-1)为对象，构建了“颗粒磁化—磁链响应—细胞连接”的跨尺度研究框架。

趋磁弧菌WYHV-1的磁小体结构、磁性与磁场依赖的细胞间磁连接。中国科学院地质地球所 供图

这项贯通磁性颗粒、磁小体链、细胞三个尺度并拓展经典单磁畴模型的重要研究成果，相关论文北京时间9月30日凌晨在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上线发表。

磁小体“不走寻常路”

李金华介绍说，趋磁细菌在细胞内合成纳米磁铁矿磁小体，并排列成链，沿地磁场定向，从而在氧化—缺氧过渡带中高效寻找适宜生态位。经典模型认为，趋磁细菌依靠形貌规则、均匀磁化的单磁畴磁小体获得稳定磁矩。

但自然界中，一些趋磁细菌能合成尺寸偏大、磁化不均匀的颗粒。这些“非典型”磁小体能否维持有效磁功能？磁小体链的磁作用又能否跨越细胞边界？长期缺乏直接证据。

本次研究的WYHV-1的特别之处，首先在于它合成的磁小体“不走寻常路”。这些磁小体为拉长棱柱状磁铁矿，平均长约105纳米、宽约81纳米，超过四分之三的颗粒长90纳米–150纳米，明显大于多数已报道的趋磁细菌棱柱状磁小体。更独特的是，其晶体两端具有对称凹坑，形似一对“酒窝”，平均深约11纳米，通过多方法确认，凹坑是晶体固有特征。

尺寸大、带凹坑，会带来什么磁学后果？理论上，孤立的大尺寸磁铁矿颗粒容易形成非均匀磁化，而非理想单磁畴。研究团队此次在纳米尺度直接“看见”了磁矩排列：在链端或局部塌缩处，单颗磁小体常呈单涡旋态，磁矩围绕约15纳米宽的涡旋核卷曲，并非整体同向。

然而，当这些颗粒以约2纳米间距紧密排列成链后，强链内静磁耦合显著抑制了局部非均匀性，使多数链内颗粒趋向“有效单磁畴样”状态，整条磁链形成稳定的沿链轴向磁矩。微磁模拟进一步证实：约40纳米–85纳米颗粒为单磁畴，90纳米–150纳米大颗粒多为单涡旋；成链后，链级协同“驯服”了涡旋，链整体才是稳定磁响应的来源。

此外，磁小体链还能介导细胞间连接。在悬滴实验中，当细胞局部富集并施加约0.1–1毫特斯拉外磁场(约为当地地磁场的2–20倍)时，WYHV-1细胞会沿磁场首尾相接，形成20微米–50微米甚至更长的链状集合体。研究将其解释为原本独立细胞之间的磁场依赖物理连接。

合理解释悬滴实验

李金华指出，为检验其磁学基础，研究团队建立单链和头尾双链模型。计算表明，链端杂散场随距离衰减，但在100纳米–1000纳米范围内仍高于当地地磁场强度(约0.000045特斯拉)；双链静磁能增益超过室温热扰动能。

模型提示，两个活细胞相距约2000纳米、接近一个细胞长度时，链间磁相互作用仍可能抵抗布朗扰动。这为悬滴实验提供了合理解释：外场先使细胞大致对齐，链端杂散场再促进端对端吸引、连接与再连接。此时，磁小体链不仅是胞内“指南针”，也可成为传递细胞间磁力的磁性纽带。

本项研究拓展的经典单磁畴模型表明，趋磁细菌不必要求每颗磁小体都处于理想均匀磁化状态，大尺寸单涡旋颗粒仍可通过链级协同获得稳定轴向磁响应。因此，功能评价单元应从孤立颗粒扩展到完整磁链，甚至细胞间相互作用。

同时，WYHV-1还为地质记录中两端带凹坑的棱柱状磁铁矿提供了现代生物学参照，对磁小体化石识别及古环境、古地磁记录解释具有启示意义。

李金华表示，基于本次研究成果，未来，在接近地磁场强度的模拟体系中直接观察活细胞，并通过磁学—电化学—化学耦合实验，将有望揭示这种细胞间磁连接是否具有真实的生态功能。(完)