Characterization of magneto-bioconvection patterns in dense suspensions of magnetospirillum gryphiswaldense

Abstract

Magnetospirillum gryphiswaldense es una especie de bacteria anfítrica, micro-aerofílica y magnetotáctica. Produce un organelo llamado magnetosoma, que consiste en una cadena de nanocristales de magnetita, el cual le otorga un momento dipolar magnético permanente. Gracias a eso, sus células se alinean de manera pasiva con campos magnéticos externos, lo cual se cree que les ayuda a alcanzar condiciones favorables en la naturaleza. Bajo confinamiento entre dos paredes paralelas y en presencia de un campo magnético externo perpendicular a las paredes, suspensiones densas de esta bacteria realizan un tipo de movimiento colectivo llamado magnetobioconvección, similar a los flujos de convección. En esta tesis, exploramos el comportamiento tridimensional de la magnetobioconvección, dando una descripción cualitativa del fenómeno, junto a un análisis cuantitativo de los tiempos y longitudes características de los patrones de los flujos. Para formar los patrones, se cultivaron y concentraron suspensiones de M. gryphiswaldense de acuerdo a protocolos existentes. Esto implicó preparar el medio de cultivo, desplazar el oxígeno de los tubos de cultivo y centrifugar para generar suspensiones densas. La suspensión resultante fue depositada dentro de una de dos tipos de microcavidades y cubierta con un vidrio cubre objetos. Las dos microcavidades se diferencian en que una está hecha de vidrio, impidiendo la entrada de oxígeno en la cavidad, mientras que la otra esta hecha de un polímero permeable a los gases, por lo tanto, permitiendo la oxigenación. Para generar campos magnéticos homogéneos en la muestra, se fabricaron bobinas de Helmholtz las cuales fueron montadas en un microscopio, que se usó para observar y grabar la dinámica de los patrones de magnetobioconvección. Después de un estado transitorio, el sistema alcanza un estado cuasi-estacionario, caracterizado por la formación de una variedad de patrones, de diferentes tamaños y formas, trazados por inhomogeneidades de densidad en la suspensión. Dada su forma, los patrones fueron clasificados cualitativamente en clusters, que corresponden a islas de alta densidad; celdas, caracterizadas por la presencia de estructuras geométricas alrededor de las islas de alta densidad; y bandas, que aparecen cuando flujos externos no controlados estiran los patrones mientras se forman. Cuantitativamente, tiempos y longitudes características fueron calculadas a partir de los videos grabados, y su dependencia con los parámetros experimentales, altura de confinamiento h, oxigenación, densidad de bacterias e intensidad del campo magnético Bz fue observada. Aparte de h, el cual mostró determinar de manera lineal el tamaño y la separación entre las estructuras, se observó una alta cantidad de dispersión, sugiriendo la presencia de un parámetro inexplorado, como la velocidad promedio de las bacterias, el cual podría afectar fuertemente la dinámica de los patrones. Se sugirieron experimentos a realizar en el futuro con tal de explorar la influencia de otros parámetros.

Magnetospirillum gryphiswaldense is a species of amphitrichous, microaerophilic magnetotactic bacteria (MTB). It produces an organelle called magnetosome consisting of a chain of magnetite nano-crystals, which endows it with a permanent magnetic dipole moment. Thanks to that, M. gryphiswaldense cells passively align with external magnetic fields, which is believed to help them reaching favorable conditions in water sediments in nature. Under confinement between two parallel walls and in the presence of an external magnetic field perpendicular to the walls, dense suspensions of these bacteria perform a type of collective motion called magneto-bioconvection, resembling convection flows. In this thesis, we explored the three-dimensional behavior of magneto-bioconvection, providing a qualitative description of the phenomenon, together with quantitative analysis of the characteristic temporal and length scales of the flow pattern. In order to accomplish pattern formation in MTB suspensions, cultures of M. gryphiswaldense were grown and densified in accordance with existing protocols. This involved preparing the culture medium, displacing oxygen out of the culture tubes and centrifugating them to generate a dense suspension of bacteria. The resulting suspension was then deposited inside one of two types of micro-cavities, and covered with a glass slide. The two micro-cavities differ in their material: one of them is made of glass, which prevents the inflow of Oxygen, while the other one is made from a polymer, which is permeate to gasses and thus allows oxygenation of the bacterial suspension. To generate homogeneous magnetic fields in the sample, Helmholtz coils were fabricated and mounted in a microscope, which is then used to observe and record the dynamics of the magneto-bioconvection pattern. After a transient state, the system reached a quasi-stationary state, characterized by the formation of a variety of patterns of different sizes and shapes, drawn by density inhomogeneities within the suspension. According to their form, the patterns were qualitatively classified into clusters, which are isolated high density islands; cells, characterized by the presence of geometrical structures surrounding the high density islands; and bands, that appeared when uncontrolled external flows stretched the patterns as they formed. Quantitatively, characteristic times and lengths were computed from the recorded videos and their dependence on the experimental parameters, confinement height h, the oxygenation, the density of bacteria and the magnetic field intensity Bz was observed. Aside of h, which showed to linearly determine the structures size and separation, a lot of dispersion was observed, suggesting the presence of an unexplored parameter, such as the average bacteria speed, that could strongly affect the pattern dynamics. Future experiments were suggested in order to explore the influence of other parameters.