על חיידקים ומגנטים - Magnetotaxis

חיידקים ימיים מנווטים בעזרת השדה המגנטי של כדור הארץ

כולנו מכירים מגנטים, ואת העובדה שלכל מגנט יש קוטב צפוני וקוטב דרומי. אם נאפשר למגנט להסתדר בצורה חופשית במרחב, הוא יתייצב בהתאם לשדה המגנטי של כדור הארץ,  בין הקוטב המגנטי הצפוני (שנמצא באנטארקטיקה) לקוטב המגנטי הדרומי (שבאוקיינוס הקרח הצפוני). חשוב לציין שמדובר בשדה המגנטי נכון להיום, ויש עדויות לכך שהשדה המגנטי של כדור הארץ התהפך לא מעט פעמים במהירות יחסית (תוך כמה אלפי שנים) בהיסטוריה הגאולוגית  של כדור הארץ.

התופעה שבה יצורים פועלים בהתאם לשדה מגנטי מכונה מגנטוטקסיס (magnetotaxis). מחקרים הראו בעבר שיצורים מפותחים יחסית, מממלכות היונקים, הזוחלים והעופות, משתמשים בשדה המגנטי לצרכי ניווט, אך כאן נעסוק בייצורים פשוטים יותר, חיידקים - שגם בהם יש שמשתמשים בשדה המגנטי ומכונים מגנטוטקטיים.

הראשון שגילה חיידקים מגנטוטקטיים, או כפי שהוא קרא להם ב-1963, חיידקים רגישים למגנטים (magnetosensitive), היה סלווטורה בליני (Bellini) מאוניברסיטת פביה שבאיטליה. מי שקידם את הנושא, 11 שנים מאוחר יותר, היה ריצרד בלקמור (Blakemore), אז מהמכון האוקיינוגרפי  בוודס-הול שבמסצ'וסטס ואחר-כך מאוניברסיטת ניו המפשייר. בלקמור לא הכיר את תגליתו של בליני, וגילה את התנועה המגנוטקטית בחיידקים שבתחילה נחשדו רק בתנועה פוטוטקטית (לכיוון אור), ושטבע את המונח מגנטוטקסיס. בניסויים שערך הוא גילה שהם מאבדים את יכולת התנועה המגנטוטקטית אם מגדלים אותם במצע דל בברזל.  הוא היה זה שקישר בין היכולת המגנטוטקטית לבין נוכחות גופיפים כהים, המכילים תרכובת ברזל. בלקמור צפה בגופיפים במיקרוסקופ האלקטרונים, וכינה אותם מגנטוזומים (magnetosomes).

תצלום מיקרוסקופ אלקטרונים, צבוע מלאכותית, של חיידק מגנטוטקטי מהקרקע. לחיידק שני שוטונים -
המאפשרים לו לשחות קדימה או אחורה. שרשרת של 36 מגנטוזומים צבועה בכתום.
צילום: Gruzdev Denis S - wikimedia commons.

החיידקים המגנטוטקטיים נמצאים בסביבות ימיות, שבהן יש שונות משמעותית בזמינות החמצן לאורך עמודת המים. אותם חיידקים מנצלים את השדה המגנטי כדי לנוע מסביבה עשירה בחמצן – פני המים - לסביבה דלה בחמצן – עומק המים.

כל החיידקים המגנטוטקטיים, על צורותיהם השונות - מתגים, נקדים וסלילונים, הם בעלי שוטונים המאפשרים להם לנוע במהירות גבוהה יחסית במים. את רובם אי אפשר לגדל בתנאי מעבדה, והסוג הנחקר ביותר הוא Magnetospirillum, סלילונים מחטיבת הפרוטאובקטריה, שארבעה ממיניו אפשר לגדל במעבדה.

.

חלק מהחיידקים המגנטוטקטיים נעים לבדם, בעוד אחרים נעים בצברים של כ-30-20 תאים.

איך מבודדים חיידקים מגנטוטקטיים?

הדרך לבודד חיידקים מגנטוטקטיים היא פשוטה: מרחיפים את התמיסה המכילה משקע חיידקים ימיים. ושמים טיפה מהתרחיף על זכוכית נושאת מתחת למיקרוסקופ. במקביל לזכוכית ממקמים מגנט. חיידקים מגנטוטקטיים ינועו לכיוון אחד ויצטברו בקצה הטיפה.  הפיכת המגנט ב-180 מעלות תגרום להם לנוע לקצה הטיפה הנגדי. מבחינים בצורת בידוד זו בין שתי קבוצות של חיידקים – צפוניים, הנעים לכיוון הקוטב הדרומי של המגנט, ודרומיים הנעים לכיוון הקוטב הצפוני של המגנט.

מרבית החיידקים המגנטוטקטיים שאותרו במחצית הצפונית של כדור-הארץ  הם צפוניים, כלומר נעים לכיוון הקוטב הגאוגרפי הדרומי, בעוד מרבית מקביליהם במחצית כדור-הארץ הדרומית הם דרומיים, כלומר נעים לכיוון הקוטב הגאוגרפי הצפוני.

לאן נעים החיידקים המגנטוטקטים בעזרת השדה המגנטי? רוב החיידקים המגנטוטקטיים הם אל-אוירניים מוחלטים או שהם חיים בנוכחות ריכוזים נמוכים של חמצן. כלומר, כדי להתרחק מהחמצן עליהם להתרחק ככל הניתן מפני המים. החיידקים במחצית הצפונית נעים לעבר צפון המגנטי – כלומר לכיוון דרום. בכיוון זה יש גם רכיב שהוא אנכי לפני הים ומאפשר להם לנוע כלפי מטה. החיידקים במחצית הדרומית נעים לעבר הדרום המגנטי, כלומר לכיוון צפון. וגם כאן יש רכיב אנכי לפני הים המאפשר להם לנוע כלפי מטה. כשהחיידקים מרגישים שהם הגיעו לאזור המתאים להם מבחינת ריכוז החמצן, הם מפסיקים את תנועת השוטונים. הם מחדשים את תנועת השוטונים כאשר התנאים נעשים לא נוחים עבורם, כתוצאה מתנועה פסיבית שנובעת מהזרמים במים, כלפי מעלה.

ומה קורה בקו המשווה עצמו – שם מוצאים חיידקים משני הטיפוסים.

אם החיידקים, מגיעים נמוך מדי, כך שחסר להם חמצן (אלה שזקוקים למעט חמצן)  - חלק מהם משלב גם תנועה שתלויה בריכוזי חמצן (aerotaxis - אירוטקסיס).

המגנטים הפנימיים של החיידקים

האברון התוך התאי המאפשר לחיידקים להיות מגנטוטקטיים הוא המגנטוזום (magnetosome). המגנטוזום מורכב מגבישי ברזל מגנטיים, שקוטר מרביתם 120-35 ננומטר, אך יש גם גדולים יותר, העטופים בממברנה. מוכרים בעיקר שני סוגים של גבישים כאלה, מגנטיט (Fe₃O₄)  בחיידקי מים מתוקים (מתת-חטיבת האלפא-פרוטאובקטריה),  וגרייגיט (ברזל גפרי - Fe₃S₄) בחיידקים ימיים ובחיידקי ביצות מלוחות (מתת קבוצת הדלתא-פרוטאובקטריה). נמצאו גם גם חיידקים ימיים שלהם שני סוגי מגנטוזומים ובכל סוג מינרל אחר. נמצאו גם מינרליים מגנטיים אחרים, נדירים יותר.

במתגים או בסלילונים, יש בדרך-כלל שרשרת אחת או כמה שרשרות של מגנטוזומים, באורכים שונים, לאורך ציר האורך של התא. בנקדים מוצאים את המגנטוזומים בצבר, בקצה התא בו ממוקמים גם השוטונים.  כל המגנטוזומים מקובעים בתוך התא באותה קוטביות והם קובעים את הכיוון שבו יתמקם התא יחסית לשדה המגנטי, והשוטונים, אם יופעלו, יניעו את החיידק על קווי השדה.

כשחיידק מתחלק, מתחלקים בין שני התאים הצאצאים גם המגנטוזומים, ה"שומרים" שגם הצאצאים ישארו באותו כיוון. המגנטוזומים החדשים שנוצרים מתמגנטים בהתאם לקיימים. אם במקרה ישאר צאצא של חיידק מגנטוטקטי ללא מגנטוזומים, הוא יבנה אותם מחדש, אבל אז נקבעת הקוטביות המגנטית באקראי, על פי המגנטוזום הראשון שמתקבע. החיידקים שהמגנטוזומים שלהם התמגנטו בכיוון ההפוך לנדרש, ינועו עכשיו, לעבר פני המים במקום למעמקים, וסביר להניח שלא ישרדו.

לחיידקים המגנטוטקטיים דרושה כמות ברזל גדולה מאד ביחס לחיידקים אחרים. ואכן, במעטפת שלהם יש כמות גדולה של מולקולות מיוחדות, siderophores, הקולטות ומרכזות את יוני הברזל המועטים שבסביבה. תכולת הברזל עשויה להסתכם בכארבעה אחוזים מתכולת התא היבש (ללא המים).

כיוון שהחיידקים המגנטוטקטיים נפוצים מאד כיום, והיו נפוצים מאד גם בעבר, שרידים של החיידקים ובעיקר המגנטוזומים שלהם, נמצאים מאובנים בסלעים משכבות גאולוגיות שונות. הכיווניות שלהם ועוצמת המגנטים שהם יוצרים בסלעים מסייעים כיום לחקר ההיסטוריה של השדה המגנטי של כדור הארץ שכיוונו משתנה כל הזמן ואף מתהפך מדי פעם.

שימושים עתידיים

מלבד היותם תופעה מעניינת לכשעצמה, מנסים לשלב את החיידקים המגנטוטקטיים והמגנטוזומים שלהם בטיפולים רפואיים, במחקרים סביבתיים, ובננורובוטיקה. אחד משימושים הרפואיים שמנסים לממש בעזרת חיידקים מגנטוקטיים הוא להחדירם לתאי דם לבנים בעלי יכולת בליעה, שיהונדסו לבצע פעולה טיפולית מסויימת. לאחר הזרקתם לזרם הדם, אפשר יהיה לרכזם, בעזרת מגנטים מבחוץ, באזור מסויים בגוף בו נחוצה פעולתם. כמו כן אפשר להשתמש בהזרקה של מגנטוזומים מבודדים, שלמעטפת שלהם הוצמדו תרופות נוגדות סרטן ובעזרת מגנטים לרכזם באזור הגידול.

שימוש סביבתי אפשרי הוא  איתור החיידקים המגנטוטקטים בגוף מים וקבלת עדות  על מצב החמצון של המים באותו אגם. ניתן גם להנדס חיידקים לקליטת חומרים רעילים (בעיקר מתכות כבדות) ורדיואקטיביים משפכים מזוהמים ואיסופם בעזרת מגנטים.

לקריאה נוספת

מאמר סקירה

Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application

פורסם  ב"גליליאו" 212, מאי 2016.