地磁场如何影响地球生命和宜居性是地球科学、生命科学、行星科学等共同关注的前沿问题。地球生命经过漫长的演化不仅适应了地磁场环境，许多生物还演化出主动利用地磁场的能力，趋磁细菌就是其中的典型代表。趋磁细菌可以在细胞内通过生物矿化作用形成磁小体，磁小体是由生物膜包裹的铁磁性纳米颗粒（Fe3O4或 Fe3S4），一般在细胞中成链状排列，像“指南针”一样赋予细菌沿地磁场定向导航的能力。趋磁细菌是认识生物感磁起源和演化的重要研究对象，对于理解生物感磁行为的机制、认识地球生命起源、探索地外生命等都具有重要意义。磁小体具有生物膜包裹、单磁畴结构、颗粒尺寸均一、化学纯度高等独特性质，在材料学和生物医学等领域有巨大的应用潜力。
近日，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的万娟特聘研究员、林巍研究员、潘永信研究员等，基于该团队多年来在趋磁细菌研究方面的工作，系统综述了国内外趋磁细菌多样性、磁小体生物矿化机制以及磁小体在医学和材料学等领域应用的最新进展，探讨了趋磁细菌未来的突破方向。
一、趋磁细菌的多样性及起源演化
趋磁细菌的多样性研究对探索生物矿化和生物感磁的起源演化至关重要。已有研究揭示，趋磁细菌的多样性远超之前预期，目前已从2个细菌门扩展到至少17个门（图1）。自然界趋磁细菌形态多样，既有单细胞也有多细胞类型，有些类群还能与原生动物共生，并赋予共生者定向导航能力。趋磁细菌广泛分布于淡水、咸水以及多种极端环境中，在Fe、S、C、N、P、Ca、Si等元素的生物地球化学循环中发挥了不可忽视的作用。趋磁细菌可能起源于太古宙（>30亿年前），关于趋磁细菌的起源目前主要有两种假说。一种假说认为，太古宙地表强紫外辐射和海洋中高浓度溶解铁诱导细菌细胞内产生过量的活性氧，原始磁小体的类酶活性有助于降低早期生命体内的活性氧浓度，维持细胞内正常的氧化还原水平，帮助微生物适应早期地球的极端环境，磁小体在后续演化中通过扩展适应逐渐演化出了感磁的新功能。另一种假说认为光合铁氧化菌为逃离蓝细菌导致的局部高氧环境而演化出了基因控制的胞内磁小体矿化和感磁能力。趋磁细菌的起源演化及其与地质环境演变的关联仍有待深入探究。
图1 趋磁细菌的系统发育树。最外圈展示了17个细菌门和代表性趋磁细菌的形态。内圈展示细菌名称，红色代表从极端环境中获得的趋磁细菌、洋红色代表已进行形态学观察的趋磁细菌、蓝色代表已获得基因组草图的趋磁细菌、黑色代表非趋磁细菌。特定极端环境中获得的趋磁细菌用不同形状指示，圆形表示酸性泥炭地，三角形表示高盐环境，正方形表示热液环境
二、趋磁细菌磁小体合成的机制
磁小体的矿化机制在两株模式趋磁细菌Magnetospirillum magneticum AMB-1 和Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1中得到了深入解析（图2）。磁小体合成受一系列基因（图2a中展示的磁小体基因簇）的精密调控。磁小体合成过程主要包括磁小体蛋白的定位、磁小体膜的形成和生长、晶体的成核和成熟、磁小体的成链排列等（图2）。这些步骤相互交织，但为了便于理解，通常将其分开讨论。值得注意的是，自然界趋磁细菌的磁小体形态、种类、排列方式等繁杂多样，其它类型趋磁细菌的磁小体形成机制仍在研究中。例如，产子弹头形磁小体的趋磁细菌Desulfovibrio magneticus RS-1是近年来遗传学研究的热点，将会成为下一个重要的模式菌株。此外，硝化螺旋菌门趋磁细菌可以合成数百上千个子弹头形的磁小体，有望为趋磁细菌的演化和生物矿化机制研究提供新认识。
图2 模式趋磁细菌AMB-1中磁小体矿化机制。(A) AMB-1中参与磁小体矿化的五个关键基因簇。(B) 磁小体合成的不同步骤。蓝色和黄色表示不同蛋白质在不同阶段靶向到合成磁小体的细胞内膜上，红色表示MamE蛋白酶介导控制磁小体膜生长和矿物成核的调控通路
三、磁小体的应用
磁小体是一种绿色、环保的纳米铁磁性材料，与化学合成方法相比，趋磁细菌的生物过程所需要的条件（温度、pH、压力）温和且节能，能够生成生物相容性高且可控、可重复的纳米材料。近年来磁小体在材料学和生物医学等领域的应用中已经崭露头角。例如，在材料学领域，以磁小体蛋白作为添加剂可以促进体外纳米铁磁性颗粒的合成；在医学领域，磁小体有助于药物的精准递送与肿瘤靶向治疗；在工业领域，磁小体可用于提高固定化酶的使用效率；在环保领域，磁小体有望作为环境污染检测的有效工具等（图3）。令人振奋的是，近期研究者利用合成生物学的思路，通过基因工程技术在多株非趋磁细菌中成功合成了磁小体，这一突破不仅深化了对趋磁细菌磁小体矿化机制的认识，也为磁小体未来的应用开辟了新前景。
图3 磁小体的应用。（A）三种不同磁性纳米颗粒体外合成的策略：不添加磁小体蛋白（A-i）、仅添加磁小体蛋白（A-ii）以及同时添加磁小体蛋白与表面活性剂（A-iii）。(B) 通过对磁小体锚定蛋白进行遗传修饰，将特定功能基团连接到磁小体表面，实现磁小体在不同领域的应用
综上所述，趋磁细菌是研究生物感磁和生物矿化的重要对象，对其多样性和矿化感磁机制的系统研究，将有助于深化我们对地磁场与生命协同演化的认识，推动磁小体等生物源磁性纳米颗粒在材料学、生物医学等领域的广泛应用。
研究成果发表于国际学术期刊Cell Reports（万娟，纪润佳，刘佳，马坤，潘永信，林巍*. Biomineralization in magnetotactic bacteria: From diversity to molecular discovery-based applications [J]. Cell Reports, 2024;43(12):114995. DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114995.）。研究受国家自然科学基金和中国科学院联合资助。