Elisa Cerdá Doñate

• Magnetotactic bacteria comprise a heterogeneous group of Gram negative bacteria which share the ability to synthesise intracellular magnetic nanoparticles surrounded by a lipid bilayer, known as magnetosomes, which are arranged in linear chains. The bacteria exert a unique level of control onto the biomineralization of these nanoparticles, which is seen in the controlled size and shape they have. These characteristics have attracted great attention on understanding the process by which the bacteria synthesise the magnetosomes. Moreover, the magnetosome chain impart the bacteria with a net magnetic dipole which makes them susceptible to interact with magnetic fields and thus orient with the Earth’s magnetic field. This feature has attracted as well much interest to understand how the swimming motility of these microorganisms is affected by the presence of magnetic fields. Most of the studies performed in these bacteria so far have been conducted in the traditional manner using large populations of cells. Such studies have theMagnetotactic bacteria comprise a heterogeneous group of Gram negative bacteria which share the ability to synthesise intracellular magnetic nanoparticles surrounded by a lipid bilayer, known as magnetosomes, which are arranged in linear chains. The bacteria exert a unique level of control onto the biomineralization of these nanoparticles, which is seen in the controlled size and shape they have. These characteristics have attracted great attention on understanding the process by which the bacteria synthesise the magnetosomes. Moreover, the magnetosome chain impart the bacteria with a net magnetic dipole which makes them susceptible to interact with magnetic fields and thus orient with the Earth’s magnetic field. This feature has attracted as well much interest to understand how the swimming motility of these microorganisms is affected by the presence of magnetic fields. Most of the studies performed in these bacteria so far have been conducted in the traditional manner using large populations of cells. Such studies have the disadvantage of averaging many different individuals with heterogeneous behaviours and fail to consider individual variations. In addition, in large populations each bacterium will be subjected to a different microenvironment that will influence the bacterial behaviour, but which cannot be defined using these traditional methods. In this thesis, different microfluidic platforms are proposed to overcome these limitations and to offer the possibility to study magnetotactic bacteria in defined environments and down to a single-cell resolution. First, a sediment-like microfluidic platform is presented with the purpose of mimicking the porous environment they bacteria naturally dwell in. The platform allows to observe via transmitted light microscopy that bacterial navigation in crowded environments is enhanced by the Earth’s magnetic field strengths (B = 50 μT) rather than by null (B = 0 μT) or higher magnetic fields (B = 500 μT). Second, a microfluidic system to confine single-bacterial cells in physically defined environments is presented. The system allows to study via transmitted light microscopy the interplay between wall curvature, magnetic fields and bacterial speed affect the motion of a confined bacterium, and shows how bacterial trajectories depend on those three parameters. Third, a microfluidic platform to conduct semi in vivo magnetosome nucleation with a single-cell resolution via X-ray fluorescence is fabricated. It is shown that signal arising from magnetosome full chains can be observed individually in each bacterium. Finally, the iron uptake kinetics of a single bacterium are studied via a fluorescent reporter through confocal microscopy. Two different approaches are used for this: one of the previously mentioned platforms, as well as giant lipid vesicles. It is observed how iron uptake rates vary between cells, as well as how these rates are consistent with magnetosome formation taking place within some hours. The present thesis shows therefore how microfluidic technologies can be implemented for the study of magnetotactic bacteria at different degrees, and the level of resolution that can be attained by going into the single- cell scale.
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• Magnetotaktische Bakterien gehören einer heterogenen Gruppe gramnegativer Bakterien an, welche die Fähigkeit zur Synthese intrazellulärer magnetischer Nanopartikel teilen. Diese Partikel, genannt Magnetosomen, sind von einer Doppellipidschicht umgeben und ordnen sich in linearen Ketten an. Die Bakterien haben ein einzigartiges Maß an Kontrolle über die Biomineralisation dieser Nanopartikel, welche sich in der genau bestimmten Größe und Form zeigt. Diese besonderen Eigenschaften haben die Aufmerksamkeit auf ein besseres Verständnis der Magnetosomensynthese durch die Bakteriengezogen. Darüber hinaus besitzen die Bakterien durch die Magnetosomenkette ein magnetisches Dipolmoment, welches sie befähigt auf ein Magnetfeld zu reagieren, wodurch sie sich im Magnetfeld der Erde ausrichten können. Auch diese Eigenschaft hat großes Interesse geweckt, besonders um den Einfluss eines Magnetfeldes auf das Schwimmverhalten der Mikroorganismen besser zu verstehen. Die meisten bisherigen Studien an diesen Organismen wurden in klassischen Systemen mitMagnetotaktische Bakterien gehören einer heterogenen Gruppe gramnegativer Bakterien an, welche die Fähigkeit zur Synthese intrazellulärer magnetischer Nanopartikel teilen. Diese Partikel, genannt Magnetosomen, sind von einer Doppellipidschicht umgeben und ordnen sich in linearen Ketten an. Die Bakterien haben ein einzigartiges Maß an Kontrolle über die Biomineralisation dieser Nanopartikel, welche sich in der genau bestimmten Größe und Form zeigt. Diese besonderen Eigenschaften haben die Aufmerksamkeit auf ein besseres Verständnis der Magnetosomensynthese durch die Bakteriengezogen. Darüber hinaus besitzen die Bakterien durch die Magnetosomenkette ein magnetisches Dipolmoment, welches sie befähigt auf ein Magnetfeld zu reagieren, wodurch sie sich im Magnetfeld der Erde ausrichten können. Auch diese Eigenschaft hat großes Interesse geweckt, besonders um den Einfluss eines Magnetfeldes auf das Schwimmverhalten der Mikroorganismen besser zu verstehen. Die meisten bisherigen Studien an diesen Organismen wurden in klassischen Systemen mit großen Populationen durchgeführt. Solche Studien haben den Nachteil, dass das heterogene Verhalten vieler verschiedener Individuen gemittelt wird und daher individuelle Variationen nicht berücksichtigt werden. Zusätzlich ist jedes einzelne Bakterium einer großen Population einer anderen Mikroumgebung ausgesetzt, welche sein Verhalten beeinflusst, das aber durch die Verwendung traditioneller Methoden nicht erfasst werden kann. In dieser Arbeit werden verschiedene mikrofluidische Plattformen vorgestellt, um diese Einschränkungen zu überwinden und die Möglichkeit zu bieten, sogar einzelne magnetotaktische Bakterien in einer definierten Umgebung studieren zu können. Als erstes wird eine Sediment-ähnliche mikrofluidische Plattform vorgestellt, die den Zweck hat, die natürliche poröse Umgebung der Bakterien zu imitieren. Die Plattform erlaubt es mit Hilfe von Durchlichtmikroskopie zu sehen, dass Bakterien in einer gedrängten Umgebung eine verbesserte Navigation im Bereich der Erdmagnetfeldstärke (B = 50 μT) haben, im Vergleich zu keinem (B = 0 μT) oder einem höheren Magnetfeld 
 (B = 50μT). Zweitens wurde ein mikrofluidisches System zum Eingrenzen einzelner Bakterien in einer physisch definierten Umgebung entwickelt. Das System erlaubt mit Hilfe von Durchlichtmikroskopie die Untersuchung des Einflusses und des Zusammenspiels von Wandkrümmung, Magnetfeld und Bakteriengeschwindigkeit auf die Bewegung eines eingegrenzten Bakteriums und zeigt, wie die Bewegungspfade der Bakterien von diesen drei Faktoren abhängen. Drittens wurde eine mikrofluidische Plattform hergestellt, die die Durchführung von semi in-vivo Magnetosomenkeimbildung mit einer Auflösung von einzelnen Zellen mittels Röntgenfluoreszenz ermöglicht. Signale, welche von einer kompletten Magnetosomenkette herrühren, können in individuellen Bakterien beobachtet werden. Abschließend wurde die Kinetik der Eisenaufnahme eines einzelnen Bakteriums durch einen fluoreszierenden Reporter mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie untersucht. Zwei verschiedenen Ansätze wurden dabei verwendet: eine der bereits vorgestellten Plattformen, sowie riesige Lipidvesikel. Es wurde beobachtet, dass die Eisenaufnahmerate zwischen verschiedenen Zellen variiert und wie sich damit übereinstimmend Magnetosomen innerhalb von Stunden bilden. Diese Arbeit zeigt damit wie mikrofluidische Technologien für die Untersuchung magnetotaktischer Bakterien in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden können, und welches Level an Auflösung erreicht werden kann, indem mit einzelnen Zellen gearbeitet wird.
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