Magnetic and structural characterization of magnetite nanoparticles synthesized by magnetotactic bacteria.

129 p.Las bacterias magnetotácticas son un grupo microorganismos capaces de orientarse en presencia delcampo magnético terrestre, lo que les facilita la búsqueda de un entorno rico en nutrientes y con lascondiciones de oxígeno óptimas para su crecimiento. Esta propiedad, conocida como magnetotáxis, sedebe a la presencia de una o más cadenas de nanopatículas magnetita (magnetosomas) en el interior de labacteria. El alto control genético impuesto en la biomineralización de los magnetosomas producenanopartículas de alta calidad química y cristalina, con forma y tamaño controlados por la especiebacteriana en cuestión. El tamaño de los magnetosomas (40 -120 nm), da lugar a monodominiosmagnéticos, difíciles de conseguir mediante síntesis físicas o químicas de nanopartículas magnéticas.Además de ser sistemas modelo para el estudio de propiedades físicas en la nanoescala, losmagnetosomas y las bacterias magnetotácticas presentan prometedoras propiedades, siendo candidatosideales para aplicaciones biomédicas de tratamiento contra el cáncer como la hipertermia magnética odrug delivery. Para un uso óptimo de los mismos se precisa de una exhaustiva caracterización. Lapresente tesis recoge una caracterización detallada desde el punto de vista magnético y estructural de lascadenas de magnetosomas sintetizadas por la especie M. gryphiswaldense, que sintetiza magnetosomascon forma cubooctaédrica y 45 nm de diámetro. La tesis se divide en tres bloques principales en los quese recoge: (i) el estudio de la estructura de la cadena; (ii) el proceso de biomineralización y los primerospasos de la síntesis de los magnetosomas, y (iii) el dopaje de los magnetosomas con distintos metales detransición (Co y Mn) y la consecuente modificación de sus propiedades magnéticas

Structure Formation and Collective Behavior of Dipolar Active Particles

Dipolare aktive Teilchen gehören zu einer Klasse von selbst angetriebenen Teilchen biologischen oder künstlichen Ursprungs. Diese Teilchen verfügen über ein internes, typischerweise magnetisches Dipolmoment. Die daraus entstehenden dipolaren Teilchen-Teilchen Wechselwirkungen führen in Kombination mit dem aktiven Antrieb zu komplexem kollektivem Verhalten in Systemen solcher Teilchen.  In der vorliegenden Arbeit verwenden wir Brownsche Dynamik-Simulationen, um die Vielfalt der dynamischen Strukturbildung in solchen System zu untersuchen. Dabei ist diese Arbeit in vier Hauptforschungsthemen gegliedert. Zunächst untersuchen wir Strukturbildung in kleinen Systemen von dipolaren aktiven Teilchen. Hier beobachten wir, dass sich vor allem Ringe und Ketten bilden. Diese Strukturen sind hauptsächlich abhängig von der Aktivität und der Magnetisierung der Teilchen. Zudem beeinflussen auch Wechselwirkungen mit Wänden im System die Strukturbildung. Im nächsten Schritt gehen wir zu großen Systemen dipolarer aktiver Teilchen über. Wir zeigen, dass Aktivität eine entscheidende Rolle bei dem emergenten Verhalten spielt. Wir klassifizieren das beobachtete kollektive Verhalten und fassen die Ergebnisse in Zustandsdiagrammen zusammen. Als drittes untersuchen wir den Einfluss eines konstanten homogenen externen Magnetfeldes auf die Strukturbildung. Dabei beobachten wir, dass Bildung von Bändern durch starke externe Magnetfelder unterdrückt wird und sich Teilchen stattdessen in säulenartige Strukturen organisieren. Außerdem stoßen wir auf einen bisher nicht charakterisierten vorübergehenden Zustand von oszillierenden Ketten aktiver dipolarer Teilchen. Wir gehen davon aus, dass diese Oszillationen durch Buckling-Instabilitäten verursacht werden. Zuletzt führen wir ein zeitabhängiges externes Magnetfeld ein und untersuchen die dadurch angetriebene Dynamik der Strukturbildung. Diese Arbeit zeigt, wie dipolare Wechselwirkungen, der Einfluss externer magnetischer Felder oder Wechselwirkungen mit Wänden des Systems, das bereits bekannte, vielfältige komplexe kollektive Verhalten in Systemen aktiver Teilchen erweitern und bereichern können.Dipolar active particles describe a class of self-propelled, biological or artificial particles. These particles are equipped with an internal, typically magnetic, dipole moment. The combination of dipolar particle-particle interactions and activity leads to emerging complex collective behavior in systems of such particles. In this thesis, we use Brownian dynamics simulations to explore and characterize the plethora of structural dynamics and pattern formation in systems of dipolar active particles. This study can be divided into four parts. First, we focus on structure formation in small systems. Here, we mainly observe chain and ring formation and characterize how activity and spatial confinement affects these structures. Second, we move to large systems of dipolar active particles, classify the collective patterns we observed and summarize our results in diagrams of states. We show that activity plays a crucial role in the emergent collective behavior in systems of dipolar active particles. Third, we investigate the effect a constant homogeneous external magnetic field has on collective dynamics of the system. We observe that band formation is suppressed by strong external magnetic fields and columnar structures form. In addition, we notice a previously not characterized transient state of oscillating chains of active dipolar particles. We hypothesize that these oscillations are caused by buckling instabilities. Finally, we introduce a time dependent external magnetic field and study the dynamics of structure formation driven by that field. This thesis demonstrates how dipolar interactions, external magnetic fields, or confinement, can further add to the rich complex collective behavior in systems of active particles.2021-12-2

Magnetic properties of uncultivated magnetotactic bacteria and their contribution to a stratified estuary iron cycle

Of the two nanocrystal (magnetosome) compositions biosynthesized by magnetotactic bacteria (MTB), the magnetic properties of magnetite magnetosomes have been extensively studied using widely available cultures, while those of greigite magnetosomes remain poorly known. Here we have collected uncultivated magnetite- and greigite-producing MTB to determine their magnetic coercivity distribution and ferromagnetic resonance (FMR) spectra and to assess the MTB-associated iron flux. We find that compared with magnetite-producing MTB cultures, FMR spectra of uncultivated MTB are characterized by a wider empirical parameter range, thus complicating the use of FMR for fossilized magnetosome (magnetofossil) detection. Furthermore, in stark contrast to putative Neogene greigite magnetofossil records, the coercivity distributions for greigite-producing MTB are fundamentally left-skewed with a lower median. Lastly, a comparison between the MTB-associated iron flux in the investigated estuary and the pyritic-Fe flux in the Black Sea suggests MTB play an important, but heretofore overlooked role in euxinic marine system iron cycle.© 2014, Rights Managed by Nature Publishing Group

Understanding fine magnetic particle systems through use of first-order reversal curve diagrams

First-order reversal curve (FORC) diagrams are constructed from a class of partial magnetic hysteresis loops known as first-order reversal curves and are used to understand magnetization processes in fine magnetic particle systems. A wide-ranging literature that is pertinent to interpretation of FORC diagrams has been published in the geophysical and solid-state physics literature over the past 15 years and is summarized in this review. We discuss practicalities related to optimization of FORC measurements and important issues relating to the calculation, presentation, statistical significance, and interpretation of FORC diagrams. We also outline a framework for interpreting the magnetic behavior of magnetostatically noninteracting and interacting single domain, superparamagnetic, multidomain, single vortex, and pseudosingle domain particle systems. These types of magnetic behavior are illustrated mainly with geological examples relevant to paleomagnetism, rock magnetism, and environmental magnetism. These technical, experimental, and interpretational considerations are relevant to applications that range from improving particulate media for magnetic recording in materials science, to providing a foundation for understanding geomagnetic recording by rocks in geophysics, to interpreting depositional, microbiological, and environmental processes in sediments.Our research on FORC diagrams has been supported over the years by the U.S. National Science Foundation, the UK Natural Environment Research Council, the European Union, the Royal Society of London, and the Australian Research Council (grant DP120103952)

Magnetosome-specific expression of chimeric proteins in Magnetospirillum gryphiswaldense for applications in cell biology and biotechnology

Magnetosomes are magnetic nanoparticles that are formed by magnetotactic bacteria (MTB) by a complex, genetically controlled biomineralization process. Magnetosomes from the model organism Magnetospirillum gryphiswaldense consist of single-magnetic-domain sized nanocrystals of chemically pure magnetite, which are formed intracellularly within specialized membranous compartments. The natural coating by the biological membrane and the defined physico-chemical properties designate magnetosomes as a biogenic material with high bio- and nanotechnological potential. In addition, there is a great interest in the cell biology of magnetosome formation in MTB. The development of these true bacterial organelles involves the invagination of distinctly sized membrane vesicles and the assembly of magnetosome vesicles in chain-like arrangements along novel cytoskeletal structures. The first part of this thesis focussed on the development of genetic tools for the functionalization and expression of modified magnetosome proteins. The identification of proteins that are specifically and efficiently inserted into the magnetosome membrane (MM) was facilitated by analysis of green fluorescent protein (GFP) fusions of different magnetosome membrane proteins (MMP). After optimization of cultivation conditions for the utilization of GFP in MTB, it has been demonstrated that fusions of the proteins MamC, MamF and MamG are specifically targeted to the MM. In particular, the MamC-GFP fusion protein was stably integrated and highly abundant in the MM. Therefore, MamC represents an ideal anchor protein for the immobilization of functional proteins in the MM. To address the question, if a specific signal sequence determines the magnetosome specific targeting of MamC-GFP, the localization of truncated MamC derivatives was studied. These experiments have shown that, except for the last nine C-terminal amino acids, the entire sequence is required for the correct targeting and membrane insertion of MamC. Stability of MamC-GFP is greatly reduced if larger parts are missing or if the N-terminus is deleted. MamC-GFP localized at the expected position of the magnetosome chain irrespective of cultivation conditions that impeded magnetite formation. This shows that MMP targeting, magnetosome vesicle formation and magnetosome chain assembly are not dependent on the prevalence of magnetite inducing conditions or the presence of magnetite crystals. In contrast, the localization of MamC-GFP was altered in the magnetic mamK as well as in the non-magnetic MSR-1B, mamB, mamM, mamJKL mutants in comparison to the wild type. This indicates that the interaction with specific proteins in the magnetosome vesicle is required for the correct localization of MamC. The spotted MamC-GFP signals in the mamJ mutant, which are congruent with the position of magnetosomes in this strain, indicate that MamJ is not required for the magnetosome-specific targeting of MamC-GFP. It has also been demonstrated that the native MamC protein and other proteins encoded by the mamGFDC operon are not required for the magnetosome-directed targeting of MamC, as the localization patterns of MamC-GFP in the mamC and mamGFDC mutants were similar to the localization of MamC-GFP in the wild type and congruent with the position of the magnetosomes. The comparison of different promoters from E. coli and M. gryphiswaldense by fluorometry and flow cytometry with a GFP-reporter system revealed that the magnetosomal promoter, PmamDC, is highly efficient in M. gryphiswaldense. The applicability of this promoter for the functionalization of magnetosomes has been demonstrated by expression of a fusion protein of MamC and the antibody binding ‘ZZ’ protein in the MM to generate antibody-binding magnetosomes. In addition, the E. coli Ptet promoter has been identified as the first inducible promoter for regulated gene expression in MTB. The expression was tightly regulated in the absence of an inducer and a ten-fold increase of the proportion of fluorescent cells was observed in the presence of the inducer anhydrotetracycline. Therefore, the Ptet promoter is an important addition to the M. gryphiswaldense genetic toolbox. In the second part of this thesis, magnetosomes were tested for their use in biomedical and biotechnological applications. To this end, large scale procedures for the purification of intact magnetosomes were developed. In collaboration with the groups of Prof. Dr. C. M. Niemeyer (Universität Dortmund) and Dr. R. Wacker (Chimera Biotec), streptavidin-biotin chemistry was employed to develop a modular system for the production of DNA- and antibody-coated magnetosomes. The modified magnetosomes were used in DNA- and protein detection systems, and an automatable magnetosome-based Magneto-Immuno-PCR procedure was developed for the sensitive detection of antigens. With collaborators from the groups of Dr. T. Hieronymus (RWTH Aachen) and Dr. I. Hilger (Universität Jena), it has been shown that magnetosomes can be used as specific magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents for phagocytotic cells such as macrophages and dendritic cells to study cell migration. Fluorescently labelled magnetosomes were successfully used as bimodal contrast agents for the visualization of labelled cells by MRI and fluorescence imaging

The behaviour of magnetotactic bacteria in changing magnetic fields

Die Beobachtung des Verhaltens von magnetotaktischen Bakterien (MTB) in wechselndeMagnetfeldern kann signifikante direkte und indirekte Informationen offenlegen über deren Merkmale und physiologische Eigenschaften. Sowohl Einzel- als auchMassenanalyse wurden in der vorliegenden Studie durchgeführt. Die Einzelzell-Experimente wurden in einem mikrofluidischen Chip mitmaßgefertigtem Design durchgeführt, in welchem die MTB fokussiert werden konnten während einMagnetfeld mittels eines permanentenMagneten angelegt wurde, welcher unter demMikroskoptisch befestigt war. Beobachtungen und Aufnahme der Reaktionen erlaubte eine offline-Analyse der Bewegungsbahnen. Diese Auswertung zeigte, dass die Zellen unterschiedlich reagierten auf Variation derMagnitude derMagnetfeldstärke. DesWeiteren konnte durch Simulationen und Experimente aufgezeigt werden, dass der Widerstand der MTB unterschätzt wurde, was zu zusätzlichen makroskopische Experimenten führte, um eine Verbindung von morphologischer Eigenschaften und Rotationswiderstandsprofilen darzulegen. Diese Experimente wurden durchgeführt in einem Gefäßmit Silikonöl unter Verwendung verschiedener 3D-gedruckter Modelle von verschiedenen ellipsoid- und spirillum-basierenden Morphologien. Die Modelle begründeten sich auf Elektronenmikroskop-Abbildungen von tatsächlichen MTB. Die Auswertung dieser Experimente konnte zur Aufklärung beitragen, dass Eigenschaften der MTB nicht in existierende Modelle des Rotationswiderstandes berücksichtigt werden. Die Massenanalyse wurde durchgeführt in einem maßangefertigtem Optischen-Dichte-Messer, spezifisch hergestellt umMagnetfeld-Orientierungen mit Photospektrometrie zu kombinieren. Von diesen Beobachtungen konnte der magnetische Gehalt von einer MTB-Kultur und Einzelproben abgeleitet werden, sowohl absolut als auch relativ. Zusätzlich wurde die Reaktionszeit einer verwendeten Charge gemessen werden umdenmagnetischen dipol-Moment mit dem Rotationswiderstand zu korrelieren. Dies erlaubte eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Qualitäten und Quantitäten von Kulturen, als auch Langzeit- und kontinuierliche Beobachtung desWachstumsverhaltens von diesen. Trotz des Auffindens neuer Eigenschaften durch welche eine genauere Berechnung von Rotationswiderstandsprofilen möglich wurde bleibt die Länge eines Objekts weiterhin der dominierende Faktor im Zusammenspiel von magnetischem Drehmoment und Rotationswiderstandskraft. UnserModell erlaubt eine genauere Vorhersage des Rotationswiderstandes von Objekten mit ähnlichen Formen wie MTB in Schleichender Strömung als auch Zuständen von geringen Reynoldszahlen.The observation of behaviour of magnetotactic bacteria (MTB) in changing magnetic fields can give significant direct and indirect information about their traits and biophysical properties. Both single and bulk experiment and analysis were performed in this study. The single cel experimentswere performed inside custommicrofluidic chips designed to keep the MTB in focus, while a magnet field was applied using a permanent magnet mounted under a microscope stage. Observation and recording of the response allowed for off-line analysis of the trajectories. This analysis has shown that the cells respond differently to varyingmagnitudes of magnetic field strength. Furthermore, from simulations and experiments we have found that the drag of the MTB had been underestimated, which lead to additional macroscopic experiments relating morphological traits to more rotational drag profiles. These experiments were done in a vat of silicone oil using 3D-printed models of varying spheroid- and spirillum-based morphologies. The models were based on scanning electron microscope images of actualMTB. Analysis of these experiments elucidated the contribution of traits not included in existing models for rotational drag. The bulk analysis was performed in a custom made optical density meter, specifically designed to combine magnetic field orientations with photo spectrometry. From our observation we could derive the magnetic response, both absolute and relative, of a given culture or sample of MTB. Additionally, the response time of a given batch could also be measured, relating the magnetic dipole moment with the rotational drag. This allowed distinguishing between different quality and quantity of cultures, as well as long termand continuous observation of a culture in growth. In spite of having found new traits by which one can more accurately calculate the rotational drag profile, the length of an object still remains the dominate factor when balancing magnetic torque and drag force. Our model does allow for predicting more accurately the rotational drag of objects with shapes similar toMTB in Stokes flow or under low Reynolds number conditions

Observing magnetic objects in fluids

Observation of the motion of particles in fluids give valuable information about the particles, the environment and the interaction between them. Two distinct particle-fluid systems were studied in this framework. The first system considers centimetre-sized magnetic particles suspended in an upward water flow to create neutral buoyancy as well as a source of turbulence. This macroscopic reactor acts as an analogue simulator for microscopic self-assembly processes. From observation of the trajectories of single and two-particle systems we found that in terms of velocity, diffusion and particle interaction the laws of thermodynamics describe the macroscopic system with surprising accuracy. We have shown that we can control the amount of disturbing energy by changing the asymmetry of the water inflow, but that this method affects the particle behaviour differently in separate spatial dimensions. We found that the method used to generate disturbing energy is not that critical; also when the particles are mechanically shaken on a table in 2D, rather than in a turbulent flow in 3D, the velocity and diffusion still obey the laws of thermodynamics. The macroscopic reactor was used to study self-assembly of 3D-printed objects with embedded magnets. A system of four spheres was analysed by both humans and neural networks. Although yielding very similar results, they significantly deviate from theoretical predictions, likely due to underestimation of the disturbing energy. When using objects with anisotropic shape, we found that the geometry and aspect ratio highly define the nature of resulting structures. The particle shape for instance controls the dimensionality (1D, 2D, 3D) and flexibility (straight versus flexible angles) of the resulting assemblies. The second system involves the study of the motion of magnetotactic bacteria (MTB) under influence of varying magnetic fields. From microscopy observations of the trajectories of individual MTB we found that their response to magnetic fields accurately follows a simple model based on the ratio between magnetic and drag torque. We characterised the properties of MTB and interaction with the environment. An optical density based method was developed to monitor the properties of entire colonies of MTB with high temporal resolution. We were able to monitor four distinct parameters corresponding to growth and magnetic growth of MTB and found that these types of growth are decoupled. Although magnetic objects studied in this thesis are seemingly very distinct, with various sizes and shapes, their analysis has strong similarity. The most important aspects for fluid-particle interaction are the interplay between magnetic torque and the drag force as well as the interplay between magnetic potential energy and (equivalent) thermal energy. The parameters underpinning the models based on these concepts can be determined through observation of the motion of the particles.Beobachtung der Bewegung von Partikeln in Flüssigkeiten bringt wertvolle Informationen über die Partikel, die Umgebung als auch die Interaktion von beidem. Zwei verschiedene Partikel-Flüssigkeitssysteme wurden in dieser Studie näher untersucht. Das erste System setzte sich zusammen aus zentimeter-großen magnetischen Partikeln, ausgebracht in einem aufwärtsgerichteten Wasserstrom, welcher einen neutralen statischen Auftrieb erzeugte als auch den Ursprung von Turbulenzen darstellt. Dieser makroskopische Reaktor wurde betrieben als analoge Simulation für mikroskopische Selbstassemblierungsprozesse. Durch das Beobachten der Trajektorien von Ein- sowie Zwei-Partikelsystemen wurde festgestellt, dass die Gesetze der Thermodynamik überraschend genau das System charakterisieren, vor allem in Bezug auf Geschwindigkeit, Diffusion und Partikel-Interaktion. Wir konnten zeigen, dass wir die Stärke der Störenergie kontrollieren können durch Änderung der Asymmetrie des Wassereinlasses, aber auch das diese Methode die Partikel unterschiedlich beeinflusst, je Lage im dreidimensionalen Raum. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Methode zur Erzeugung der Störenergie kein kritischer Einflussfaktor ist, da auch beim mechanischen Schütteln von Partikeln auf einem Tisch in 2D, im Gegensatz zu einer turbulenten Flussrate in 3D, Geschwindigkeit und Diffusion weiterhin den Gesetzen der Thermodynamik unterliegen. Der makroskopische Reaktor wurde zur Untersuchung von Selbstassemblierungsprozessen von 3D-gedruckten Objekten mit eingeschlossenen Magneten verwendet. Ein System aus vier Kugeln wurde sowohl durch Probanden als auch durch Neurale Computernetzwerk analysiert. Trotz der sehr ähnlichen Ergebnisse konnte ein signifikanter Unterschied zu den theoretischen Vorhersagen festgestellt werden, welcher höchstwahrscheinlich in der Unterschätzung der Störenergie begründet war. Bei der Benutzung von Objekten mit anisotropen Formen konnten wir zeigen, dass die Geometrie sowie das Seitenverhältnis starken Einfluss nehmen auf die entstehenden Strukturen. Die Form der Partikel hat beispielsweise entscheidenden Einfluss auf die Dimensionalität (1D, 2D, 3D) und Flexibilität (Grade vs. Flexible Winkel) der entstehenden Verbindun- gen. Das zweite System umfasste die Analyse der Bewegung von magnetotaktischen Bakterien (MTB) unter Einfluss von wechselnden Magnetfeldern. Durch mikroskopische Beobachtung der Bewegungsbahnen von einzelnen MTB konnten wir nachweisen, dass deren Bewegungsantwort auf magnetische Felder exakt einem einfachen Modell folgen, basierend auf dem Verhältnis zwischen magnetischem Drehmoment und Dreh-Strömungswiderstandes. Hierzu wurden die Eigenschaften der MTB und deren Interaktion mit der Umgebung charakterisiert. Eine Methode, basierend auf optischer Dichte-Messung, wurde entwickelt um Eigenschaften von ganzen Kolonien von MTBs mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Es war uns möglich vier verschiedene Parameter bezüglich Wachstum und Wachstum der magnetischen Partikel zu überwachen um festzustellen, dass diese Typen des Wachstums sich als entkoppelt darstellen. Obwohl die in dieser Doktorarbeit verwendeten magnetischen Objekte stark unterschiedlich in Bezug auf Größe und Form waren zeigte deren Auswertung hohe Ähnlichkeiten. Der wichtigste Aspekt der Partikel-Flüssigkeitsinteraktion stellt das Zusammenspiel von magnetischem Drehmoment und des Dreh-Strö- mungswiderstandes dar, als auch das Zusammenspiel der potenziellen magnetischen Energie und der (äquivalenten) thermalen Energie. Diese Parameter der Modelle konnten durch Beobachtung der Bewegung der Partikel untermauern werden, auf welchen die Konzepte des magnetischen Moments und des Strömungswiderstandes basieren

Magnetic Tools for Lab-on-a-chip Technologies

This study establishes a set of magnetics-based tools that have been integrated with microfluidic systems. The overall impact of the work begins to enable the rapid and efficient manipulation and detection of magnetic entities such as particles, picoliter-sized droplets, or bacterial cells. Details of design, fabrication, and theoretical and experimental assessments are presented. The manipulation strategy has been demonstrated in the format of a particle diverter, whereby micron-sized particles are actively directed into desired flow channels at a split-flow junction by means of integrated microelectromagnets. Magnetic detection has been realized by deploying Giant Magnetoresistance (GMR) sensors--microfabricated structures originally developed for use as readout elements in computer hard-drives. We successfully transferred the GMR technology to the lab-on-a-chip arena, and demonstrated the versatility of the concept in several important areas: real-time, integrated monitoring of the properties of multiphase droplet flows; rapid quantitative determination of the concentration of magnetic nanoparticles in droplets of ferrofluids; and high-speed detection of individual magnetic microparticles and magnetotactic bacteria. The study also includes novel schemes for hydrodynamic flow focusing that work in conjunction with GMR-based detection to ensure precise navigation of the sample stream through the GMR detection volume, therefore effectively establishing a novel concept of a microfabricated magnetic flow cytometer