趋磁细菌能在细胞内合成链状排列、单磁畴磁铁矿（Fe3O4）或胶黄铁矿（Fe3S4）晶体颗粒（磁小体），并以此作为细胞的"小磁针"，感知地磁场并沿磁力线方向游弋。沉积物和岩石中保存的磁小体（也叫化石磁小体）能记录了其形成和埋藏时的地磁场、环境和生命信息，是重建古地磁、古环境和追溯早期生命的潜在替代指标。
磁小体的矿化和磁学是趋磁细菌研究的核心科学问题。针对磁小体合成的无机过程及由此产生的复杂磁性机制，中国科学院地质与地球物理研究所，地球与行星物理重点实验室潘永信课题组的李金华副研究员与法国合作者Nicolas Menguy教授等，利用先进的透射电镜技术，从微米到原子尺度上系统研究了他们在密云水库发现的趋磁大杆菌MYR-1（最近被命名为CandidatusMagnetobacterium casensis）的细胞形态、结构和化学组成及其磁小体的晶体生长和微磁结构，发现了子弹头形磁小体的"多阶段晶体生长"规律, 并提出了硝化螺菌门趋磁细菌的生物矿化模型（图1）：磁小体膜上一些特殊的蛋白质可能识别磁铁矿晶体的一个{111}面（该面由八面体（Feoct）和四面体（Fetet）的铁原子混合构成），推测功能基团（可能为酸性氨基酸的羧基）与该面上的铁原子结合后，作为生长基面，控制磁铁矿晶体成核和生长。颗粒生长初期，受磁小体膜的空间限制相对较小，容易进行各向同性生长，形成立方-八面体磁铁矿。随着颗粒增大，磁小体膜对晶体生长约束加强，控制各向异性生长。具体来讲，先沿磁铁矿晶体的一个方向拉长（如[111]、[112]、[113]、[114]或[115]，甚至[001]）到一定尺寸（~60-80 nm）后，更换拉长方向，统一沿[001]方向生长。拉长方向的改变可能与磁小体膜的形状或铁离子通道在磁小体膜上的不对称分布有关。这种趋磁细菌特有的生物控制机制提示，"子弹头形磁小体及其[001]晶体拉长"可能是可靠的化石磁小体判据。
为了认识子弹头形磁小体链的磁结构，李金华等采用透射电镜离轴电子全息术（Off-axis electron holography）在纳米尺度上对子弹头磁小体链束的微磁结构进行了研究。结果发现，尽管晶体沿[001]拉长和排列（磁晶难磁化轴方向），颗粒的高度拉长及其链束状结构，足以克服链内颗粒的磁晶各向异性能，约束单个颗粒的磁行为，使其沿链的方向磁化，即整个磁小体链束亦等同于一个拉长的大的单磁畴颗粒（图2）。结合前期对定向磁小体链的宏观磁性测量（Li et al., 2010, EPSL）和微磁结构理论计算（Li et al., 2013, G-cubed）的研究成果，本研究进一步证实了磁小体的链状结构是趋磁细菌高效利用地磁场定向游弋的物理基础，这为认识生物与地磁场的协同演化提供了直接证据，也为开展化石磁小体的纳米古地磁学研究奠定了基础。
该研究受国家自然科学基金项目（41374004, 41330104和41004024）和中国科学院创新团队国际合作伙伴计划项目（KZCX2-YW-T10）资助。
该研究成果于1月7日在线发表在英国皇家学会杂志（Journal of the Royal Society Interface）上（Li JH, Menguy N, Gatel C, Boureau V, Snoeck E, Patriarche G, Leroy E, Pan YX, Crystal growth of bullet-shaped magnetite in magnetotactic bacteria of the Nitrospirae phylum, J. R. Soc. Interface, 2015, 12(103)：1-11, doi.org/10.1098/rsif.2014.1288.）。
图1 趋磁大杆菌MYR-1（CandidatusMagnetobacterium casensis）及其子弹头形磁小体的生物矿化机制
图2 磁小体链(束)的微磁结构和磁化行为