- Mens vi lever i en tredimensjonal verden er de magnetiske bakteriene presset til å bevege seg over en endimensjonal akse, langs jordas magnetfelt, skriver Jonas Nøland. (Foto: Science Photo Library)
- Mens vi lever i en tredimensjonal verden er de magnetiske bakteriene presset til å bevege seg over en endimensjonal akse, langs jordas magnetfelt, skriver Jonas Nøland. (Foto: Science Photo Library)

Forskeren forteller: Magnetiske bakterier løser globale utfordringer

Kan hjelpe oss med alt fra datalagring til medisinske inngrep.

Published

Forskeren forteller

Denne spalten gir plass til forskere, fagfolk og studenter som med egne ord forteller om sin og andres forskning. Vil du skrive? Ta kontakt på [email protected]

Les forskningen om magnetiske bakterier

H. Mo, L. Liu og J. Zhao, “A New Magnetotactic Bacteria Optimization Algorithm Based on Moment Migration”, IEEE Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 2017. doi: 10.1007/978-3-319-11857-4_12

Seth L. Shipman mfl., “Molecular recordings by directed CRISPR spacer acquisition”, Science, juni 2016. doi: 10.1126/science.aaf1175

 T. Takamura, T. Tashiro, A. Arakaki og A. Sandhu, “Functionalization of Magnetotactic Bacteria for Microrobotic Applications”, IEEE Transactions on Magnetics, desember 2014. doi: 10.1109/TMAG.2014.2330607

Dumitru Loghin mfl., “Exploiting the responses of magnetotactic bacteria robotic agents to enhance displacement control and swarm formation for drug delivery platforms”, The International Journal of Robotics Research, september 2017. doi: 10.1177/0278364917728331

Jinxing Li mfl., “Micro/nanorobots for biomedicine: Delivery, surgery, sensing, and detoxification”,Science Robotics, mars 2017. doi: 10.1126/scirobotics.aam6431

I hverdagen tenker vi som oftest på magneter som noe vi klistrer til kjøleskapet eller bruker i andre praktiske innretninger. Det er også kjent at vi praktisk talt lever på en gigantisk stor elektromagnet som beskytter oss mot å dø av kosmiske partikler.

Det er kanskje færre som vet om de ørsmå magnetene vi finner i visse bakterier. Magnetiske bakterier ser nå ut til å bli våre nye roboter som kan løse flere av klodens globale utfordringer. I nær fremtid blir de viktige for moderne “dingser” og teknologi, samt helse og miljøutfordringer. De kan lære oss nye løsninger innen bærekraftig fabrikkering og datalagring. Noe forskning viser også til at de kan brukes i kreftterapi.

Bakteriene hadde kompass før oss

Da Kineserne oppfant kompasset for to årtusen siden, hadde en unik bakterieart allerede lært seg å fabrikkere sitt eget kompass for sin egen navigasjon. Fugl, fisk, kyr og andre dyr antas nå også å være styrt etter noen av de samme prinsippene. Siden magnetiske bakterier ble funnet for 50 år siden, har de fortsatt å få oppmerksomhet fra forskere verden over. I dag er den vitenskapelige litteraturen proppet full av ny læring grunnet disse små «nanotrollene», til og med for å bruke deres adferd til å løse kompliserte problemer. 

Magnetiske bakterier er små mikroorganismer som er ganske fraværende fra det livet vi mennesker lever. De lever isolert i elver og hav over hele kloden. Den magnetiske arten er sensitive til oksygen-konsentrasjon og navigeres dit de trives ved hjelp av magnetiske krefter og enkle regler.

Mens vi lever i en tredimensjonal verden er disse presset til å bevege seg over en endimensjonal akse, langs jordas magnetfelt. De finner derfor lett tilbake til sitt hjem og pleier å holde seg til sitt kjente territorium, i sin komfortsone.

Bygger sine egne magneter

Bakteriene har sin egen magnetfabrikk, og bygger magnetiske krystaller eller nano-magneter bestående av nordpol og sørpol. Siden de er så små, legger de seg i lange kjeder for å bygge opp et sterkt nok magnetfelt.

Krystallene klarer å holde på sin magnetisme og oppfører seg derfor som helt vanlige permanent magneter, men på mikro/nano-nivå. På den måten reagerer de og orienterer seg etter jordas magnetfelt. Rest-magnetismen er faktisk så sterk at bakteriene låses til jordas magnetfelt, selv om de er døde.

For å bygge sine magneter tar bakteriene til seg jern fra omgivelsene og bygger opp jernoksider som magnetitt (Fe3O4) eller greigitt (Fe3O4). Magnetitt, eller magnetisk spon, er faktisk det sterkeste naturlige magnetiske mineralet vi kjenner til.

Kan gi oss bedre datalagring

Magnetiske materialer har lenge vært viktige for bruk i teknologi for datalagring, som harddisker og bankkort. De blir brukt for å lagre og lese informasjon i binære koder. Nå kan rutenett av knøttsmå nanomagneter som de magnetiske bakteriene produserer løse vårt ønske om å pakke mer data på samme plass, og samtidig spare energi.

Dette er spesielt nyttig da det kreves mye energi for a lagre den ekspansivt voksende informasjonen vi har i dag. Før brukte datalagringsindustrien om lag null prosent av all den energien som ble brukt på kloden. I dag står den for tre prosent av det totale energiforbruket. Den vil i nær fremtid vokse betraktelig videre og gi et ufravikelig avtrykk på energi- og miljøsiden.

Det kreves også masse energiressurser for å lage laptoper, iphoner og pcer, som i dag er blitt forbruksvare. Vi har opplagt mye å lære av moder jord, som har produsert sine funksjonelle materialer med lengre fartstid enn oss. Vi har tidligere ikke vært klar over at bakterier kan bli en nyttig læringsarena i denne sammenheng.

Bakteriene lager mer ensformede magneter enn oss

Dagens anvendte magnetiske materialer krever masse energi gjennom en prosess med høy temperatur (over 500 grader Celsius).  Denne er aldeles ikke miljøvennlig. Materialene vi trenger for å lage disse materialene er både økonomisk og miljømessig kostbart.

Det er derfor vi vil at bakteriene skal hjelpe oss å lage magneter som er skånsomme for både liv og miljø.

Med tradisjonelle metoder ender våre nanomagneter på labben opp i alle slags størrelser og tilfeldige fasonger. På den andre siden fabrikkerer bakterier nanomagneter etter en streng oppskrift med gitte spesifikasjoner, hver eneste gang. De leverer standardiserte rene nanomagneter som praktisk talt er hyllevare. Og dette har de gjort veldig lenge.

Bakteriebaserte harddisker

En annen dramatisk ide er at vi ikke behøver å gjøre noe selv for å lage disse magnetene, men at bakterier kan gjøre jobben for oss. De kan lagre data og duplisere den. Bakterier kopierer seg ikke i en lineær rate som vår tradisjonelle teknologi, men en eksponentiell rate. Raskere energilagring har på så vis blitt demonstrert. Forestill deg en datamaskin i fremtiden med en bakterie-basert harddisk. Bakterier gir en mal for biologisk datalagring.

Magnetiske bakterier er faktisk så unike at de kan bli våre nye mikroroboter. De har høy mobilitet og er lette å kontrollere siden de svømmer langs magnetiske feltlinjer. De roterer sine poler etter ytre felt. Vi kan manipulere deres adferd og utruste dem til å bli selvgående for utførelse av spesifikke ikke-trivielle oppgaver. På grunn av deres små kropper promoterer en helt ny måte å tenke på når det gjelder robotisering. De kan til og med integreres i en datachip.

Medisinske nanoroboter

Energibehov og plassbehov er også begrensninger i robotikken som disse små bakteriene kan løse. Eksempler på oppdrag de kan ta på seg er fabrikkering, separering og transport av små «varer», samt detektering av sykdommer og levering av legemidler på steder det å vanskelig å komme til på.

De kan derfor ses på som terapeutiske agenter eller medisinske nanoroboter som kan gjøre operasjoner på cellenivå med høy presisjon og dermed hindre infeksjoner. Det er vist at de kan varme opp kreftceller ved vibrere fra et alternerende ytre magnetfelt, uten å være skadende for naboceller.

De kan også brukes for å utføre blodrensing, samt ultra-sensitiv deteksjon av biologiske molekyler og rask fjerning av giftstoffer. Vi nærmer oss nå klinisk anvendelse av disse robotene, selv om teknologien fortsatt lever i barndommen.

Grenseløst spennende

Magnetiske bakterier er som vi ser koblet til alle de største globale utfordringer vi har i dag, alt fra helse og miljø, til datalagring, robotisering og globale energiutfordringer.

Det er ganske kult å tenke på alt vi kan få de til å gjøre alt mulig rart, som å svømme rette linjer, rotere, vibrere og til og med danse for oss. Med dette potensialet til grunn er det ingen tvil om at det er grenseløst med spennende forskning og utvikling som ligger foran.