Магнитотактические бактерии представляют собой группу организмов, хорошо изученных в последние годы из-за их интересного магнитного поведения и потенциальных применений в тераностике, гипертермии и биосенсорных устройствах благодаря внутриклеточным цепочкам субмикронных магнитных частиц, заключенных в мембрану, называемых магнитосомами [1]. Магнитные параметры магнитосом внутри бактерий рода Magnetospirillum, фиксированных 5% формалином в питательной среде, оценивали по измерениям: 1) нелинейного продольного отклика на слабое переменное магнитное поле (НПО-М2) с регистрацией второй гармоники намагниченности [2] от штаммов МSR-1, LBB-42, AMB-1, SP-1, BB-1 и SO-1; и (ii) спектров электронного магнитного резонанса (ЭМР), полученных на специальном спектрометре X-диапазона для регистрации широких линий [3] для штаммов BB-1, MSR-1 и AMB-1. Для отслеживания эволюции магнитного состояния магнитосом при длительном хранении исследовали свежеприготовленные образцы (S1) и образцы после года хранения при 4°С (S2). Измерения нелинейного отклика при частоте сканирования постоянного магнитного поля 0,02 Гц свидетельствовали о стабильном однодоменном состоянии магнитных центров в магнитосомах, в близком к суперпарамагнитному (СПМ) режиме. Это позволило провести полуколичественный анализ данных М2 с помощью формализма, основанного на численном решении кинетического уравнения Фоккера-Планка для СПМ частиц. Обработка данных НПО-М2 показала наличие двух типов магнитосом: (i) с большим магнитным моментом («тяжелая», монодисперсная мода) и (ii) со сравнительно малым магнитным моментом («легкая», дисперсная мода), как в S1, так и в S2 образцах. Спектры ЭМР регистрируются преимущественно от «тяжелой» фракции для обоих образцов из-за образования агрегатов магнетосом в «легкой» фракции, сопровождающегося подавлением их магнитного момента вследствие дипольных корреляций в соответствие с М2 данными. Наличие двух пиков в спектрах свидетельствует о наличии у магнитосом одноосной магнитной анизотропии. Появление одного-двух дополнительных пиков в спектрах у S2 образцов некоторых штаммов вместо широкой диффузной линии, с одной стороны, свидетельствует об их нестабильности при длительном хранении даже при фиксации формалином и запечатывании в атмосфере азота, с другой стороны, о том, что разрушение цепочек магнитосом при длительном хранении происходило не случайным образом. Атомно-силовая микроскопия состояния ансамбля бактерий в среде после длительного хранения одного типичного штамма (ВВ-1) подтвердила этот вывод и показала частичную деградацию нативной магнитосомной цепи на более короткие цепочки, образующие агрегаты.

Эта работа была частично поддержана грантами РНФ № 22-15-00240 и № 23-25-00273.



[1] Gareev K. G. et al. Magnetotactic Bacteria and Magnetosomes: Basic Properties and Applications.// Magnetochem. 7, 86, 2021.

[2] Рыжов В.А., Ларионов И.И., Фомичев В.Н. Исследование продольной нелинейной восприимчивости магнитов на второй гармонике частоты возбуждения и паразитный сигнал.// ЖТФ. т. 66(6), 183, 1996.

[3] Рыжов В.А., Завацкий Е.И., Соловьев В.А., Киселев И.А., Фомичев В.Н., Бикинеев В.А. Спектрометр для исследования широких дипольных магнитных переходов в магнетиках и холловской проводимости на микроволновой частоте в проводящих материалах.// ЖТФ. т. 65, 133, 1995.

Magnetotactic bacteria are a group of organisms deeply studied in the last years due to their interesting magnetic behavior and potential applications in theranostics, hyperthermia and biosensor devices due to intracellular chains of submicron-sized membrane-enclosed magnetic particles called magnetosomes [1]. Magnetic parameters of magnetosomes inside the bacteria of the genus Magnetospirillum fixed by 5% formalin in the nutrient medium were estimated by the measurements: (i) of nonlinear longitudinal response to a weak ac magnetic field (NLR-M2) with registration of the second harmonic of magnetization [2] for MSR-1, LBB-42, AMB-1, SP-1, BB-1, and SO-1 strains; and (ii) of electron magnetic resonance (EMR) spectra with the special X-band spectrometer for wide-line registration [3] for the BB-1, MSR-1 and AMB-1 strains. To trace the evolution of the magnetic state of magnetosomes during long-term storage, freshly prepared samples (S1) and samples after a year of storage at 4o C (S2) were studied. The stable single-domain state of magnetic centers in magnetosomes indicating their proximity to superparamagnetic (SPM) regime was found by NLR-M2 at the scan frequency 0.02 Hz of the steady magnetic field. This allowed for a semi-quantitative analysis of M2 data with the formalism based on the numerical solution of the kinetic Fokker–Planck equation for SPM particles. Processing the NLR-M2 data evidenced the presence of two kinds of magnetosomes: (i) with the large magnetic moment (“heavy”, monodispersed mode) and (ii) with the comparatively small magnetic moment (“light”, dispersed mode), in both the S1 and S2 samples. The EMR spectra are formed mostly by the “heavy” fraction for both samples due to the formation of magnetosome aggregates in the "light" fraction, accompanied by the suppression of their magnetic moment by dipolar correlations, in accordance with the M2 data. The presence of two peaks in the spectra evidences the presence of conventional uniaxial magnetic anisotropy in the magnetosomes. The appearance of one or two additional peaks in the spectra in the S2 samples of some strains instead of a broad diffuse line, on the one hand, suggests their instability at long storage even being fixed by formalin and sealed in the nitrogen atmosphere and, on the other hand, evidences that destruction of the magnetosome chains at long storage occurred not randomly. The Atomic Force Microscopy assessment of the state of the ensemble of bacteria in the medium after the long-term storage carried out for one typical strain (BB-1) confirmed this finding and showed partial degradation of the native magnetosomal chain into shorter chains forming aggregates.

This research was partially funded by RSF, grants No 22-15-00240 and No 23-25-00273.



[1] Gareev K. G. et al. Magnetotactic Bacteria and Magnetosomes: Basic Properties and Applications. Magnetochem. 7, 86, 2021.

[2] Ryzhov V.A., Larionov I.I., Fomichev V.N., On the spurious signal in the longitudinal nonlinear susceptibility of magnets at the second harmonic of excitation frequency, Tech. Phys. 41, 620, 1996.

[3] Ryzhov V.A., Zavatskii E.I., Solov’ev V.A., Kiselev I.A., Fomichev V.N., Bikineev V.A. Spectrometer for studying broad dipole transitions in magnets and the Hall conductivity at microwave frequencies in conducting materials, Tech. Phys. 40, 71, 1995.