Levende magneter

Levende magneter

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Kjemi og liv", nr. 4, 2018

Det er mikroorganismer som er i stand til å orientere seg i et magnetisk felt – magnetotaktiske bakterier. Magnetosomer hjelper dem i denne – nanoskala paramagnetiske partikler kledd som en lipidmembran. Men ikke bare bakterier trenger magnetosomer. Denne oppfinnelsen av deres, sammen med antibiotika og CRISPR-systemet for spesifikk DNA-kutting, blir enkelt lånt av mennesker.

MTB: hvem er de?

Jern er et av de mest tilgjengelige kjemiske elementene på planeten og en av de viktigste for levende organismer. Den biogeokjemiske sirkulasjonen av jern innebærer to hovedreaksjoner – reduksjon og oksidasjon, det vil si interkonversjonen av trivalent og bivalent jern (Fe3+ ↔ Fe2+).

Jern er en del av enzymer og elektronbærere som er involvert i metabolske prosesser, inkludert slike grunnleggende som fotosyntese, respirasjon, etc. Mikroorganismer bruker ulike former for jern i energiprosesser – som elektrondonorer eller -acceptorer.

Noen bakterier har imidlertid funnet en annen bruk for dette elementet. De produserer magnetosomer – magnetiske krystaller, dekket med membran og fungerer som navigasjonsenheter.Slike bakterier kalles magnetotaktisk. For første gang i en peer-reviewed journal, beskrev en mikrobiolog fra Woods-Hole Institute of Oceanography, Richard Blackmore, dem i 1975. Magnetotaktiske bakterier (MTB) lever i akvatiske økosystemer og kan bevege seg langs magnetfeltlinjer. Alle er mikroaerofiler eller anaerober, det vil si for livet, foretrekker de forhold med lite eller ingen oksygeninnhold.

Fig. 1. Mangfoldig morfologi av MTB: og – vibrio; b, g – pinner i – cocci; d – spirilla; e – "multicellular" bakterier. bilde: Mikrobiologisk forskning, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologien til disse bakteriene kan være forskjellig – blant dem er spirillis, kokos, pinner, vibrios (figur 1). Det er også magnetotaktiske "multicellulære" bakterier – celleaggregater, for eksempel candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale og Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Evnen til å syntetisere magnetosomer er ikke et fylogenetisk trekk, deres representanter tilhører forskjellige fylogenetiske grupper (figur 2). På den annen side, blant en klasse og til og med slekten er det både MTB og ikke-magnetotaktiske bakterier.

Magnetosomer, disse unike organeller, inneholder krystaller av jernforbindelser flere nanometer i størrelse. Krystallene kan bestå av magnetitt Fe3O4 eller greig Fe3S4. Størrelsen på magnetosomene er ca. 35-120 nm, og formen, størrelsen og intracellulær organisasjon er svært varierte (figur 3).

Fig. 2. De viktigste fylogenetiske gruppene, blant annet magnetotaktiske bakterier og noen av deres representanter ble oppdaget. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Fig. 3. Former av magnetosomer: og – cuboctahedral; bi – langstrakte prismatiske g – Tann; d – kule. bilde: Naturomtaler Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

Magnetosom biomineralisering

For tiden er mer enn 40 gener som koder for proteiner assosiert med syntesen av magnetosomer, identifisert. Alle gener som er ansvarlige for biomineralisering av magnetosomer, samles på ett sted av bakteriekromosomet – i den såkalte magnetosomiske genomiske øya (MAI). Den består av flere operoner. (En operon er en del av et kromosom med et sett av gener hvis produkter gir en spesifikk cellefunksjon, for eksempel transport og assimilering av et bestemt stoff, så det er logisk å aktivere alle disse genene samtidig.) Det finnes et sett med konservative gener funnet i alle MTB: MAMA, Mamb, mamC, mamD, Mame, mamK, Mamo, MAMP, mamQ.

Fig. 4. Diagram over strukturen av magnetosomet. Bilde: 2015.igem.org

Magnetisk krystall omgir membranen.Den er dannet fra invaginering av cytoplasmisk membran i cellen og består av et lipid-dobbeltlag 3-4 nm tykt, hvor det spesifiseres spesifikke proteiner som er ansvarlige for syntesen av magnetosomer (figur 4). Dermed blir magnetosombobler (vesikler) først dannet, og deretter akkumuleres jern i dem.

Etter at jernet er trygt levert til magnetosomale vesiklet, begynner neste trinn – kjerneforming eller kjerneforming av krystaller som reguleres av MTB-spesifikke proteiner. De befinner seg på overflaten av magnetosommembranen og inne i vesiklet. Krystallene i modne magnetosomer er like i størrelse og form.

Ved bruk av et spesielt MamJ-protein festes vesikler til parallelle cytoskeletale filamenter (figur 5). Disse trådene dannes av MamK protein.

Fig. 5. Stigninger av dannelse av magnetosomkjeden: og – en celle uten magnetosomer; b – magnetosome vesikler (vist sirkler); i – transport av jern til vesikler g – montering av magnetosomkjeden (stjernen – MamJ; prikket linje – MamK tråder); d – Cellefordeling, magnetiske krefter reduseres når celler bøyes og ensrettet dybding av cellevegget; e – Kjeder av magnetosomer beveger seg til midten av cellen langs MamK-strengen. bilde: Naturomtaler Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

navigasjon

Hver magnetosom har et magnetisk øyeblikk og er en magnet med nord og sørpoler. Jo lengre magnetosomkjeden, desto større er det magnetiske øyeblikket og dermed sterkere magneten. Disse kjedene er cellulære sensorer som registrerer retningen og gradienter av magnetfelt.

Så hvorfor trenger bakterier det?

Hovedhypotesen er relatert til søket etter gunstige forhold. Vi nevnte ikke tilfeldig at MTB er mikroaerofil eller anaerob: de liker ikke overflødig oksygen. De optimale parametrene for dem er ofte i bunnsedimentene, der det er en overgang mellom oksygen- og oksygenfrie soner. Ved hjelp av magnetosomer som en miniatyr innebygd kompass, orienterer de seg langs magnetlinjelinjene og beveger seg ved hjelp av flagella, varierer dybden på dykket. Magnetiske linjer på størstedelen av kloden (unntatt ekvatorialsonen) er rettet vinkel mot overflaten, slik at bevegelse langs dem nødvendigvis vil føre til bunnen. I tillegg er bakteriene orientert mot aerotaktiske signaler – en endring i oksygenkonsentrasjon. Denne typen bevegelse kalles magnetotaxis eller magnetoaerotaxis (figur 6).

Fig. 6. Magnetic aerotexis.På den nordlige halvkule har MTB en tendens til den magnetiske sørsiden og kalles nordsøkeren, på den sørlige halvkule – søstersøken

Selvfølgelig er mekanismen for oppfatningen av magnetfeltet til MTB mye mer komplisert enn enkel orientering i kraft av kraft. Stamstudier Magnetospirillum magnetum AMB-1 viste at bakterier også kan orienteres med hensyn til gradienter av magnetiske felter som kommer fra forskjellige objekter, det være seg en vanlig magnet eller bunnmagnetisk forekomst (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Slike følsomhet kan beskytte celler fra magnetisering til kildene til magnetfeltet i deres habitater. For eksempel, når en bakterie viser seg å ligge nær magnetittklyngene dannet under utryddelsen av andre lignende bakterier, er det sannsynlig at dets egne magnetosomer vil holde det på dette stedet hvis det ikke begynner å bevege seg i motsatt retning i tide.

Meninger er uttrykt at magnetosomer kan spille en annen rolle i celler som ikke er relatert til orientering. Det er usannsynlig at de utfører funksjonen for jernlagring: magnetosomer er tilstede i cellene, selv med mangel på dette elementet i miljøet. Det har blitt foreslått at biomineralisering av magnetosomer kan være en del av en gammel metabolsk vei,hvor magnetosomer spillte rollen som lagring av jernioner som brukes som akseptorer eller elektrondonorer i cellulære energiprosesser (Miljømikrobiologiske rapporter, 2017). Denne versjonen trenger imidlertid eksperimentell bekreftelse.

Bioteknologisk bruk av magnetosomer

Kunstige nanopartikler med konstant eller indusert magnetisk øyeblikk brukes nå i en rekke bransjer: fra kommersielle kits for isolering av biomolekyler til medisinske legemidler. For medisinske applikasjoner legges de vanligvis på kapsler eller bioinert matriser av organiske forbindelser. Under påvirkning av et magnetfelt beveger de seg rundt kroppen og utfører ulike funksjoner.: binde seg til celler, levere stoffer etc.

Er magnetiske nanopartikler sikkert for kroppen? Selv om de fleste komponenter av levende organismer er svakt diamagnetiske, ble det funnet at noen organismer bærer paramagnetiske partikler (vanligvis magnetitt). For eksempel er magnetittkrystaller tilstede i kroppen av fugler, enkelte insekter og til og med i den menneskelige hjerne. Ifølge en teori brukes de til orientering i jordens magnetfelt.

Kunstige magnetiske nanopartikler (IMN) viser signifikant større cytotoksisitet og genotoksisitet sammenlignet med magnetosomer, og sannsynligheten for vevsnekrose ved bruk er mye høyere. Således utførte kinesiske forskere et eksperiment hvor IMN eller magnetosomer ble injisert i pigmentepitelcellekulturen av det menneskelige netthinnen (Vitenskapelige rapporter, 2016, 6, 2696). Celler behandlet med magnetosomer opprettholdt normal morfologi, mens celler med IMN ble ødelagt. Både magnetosomer og IMN har genotoksisitet. Imidlertid var skaden forårsaket av IMN signifikant og resulterte i cellelødeleggelse (apoptose), mens i celler behandlet med magnetosomer ble apoptose generelt undertrykt.

Det er sannsynlig at biokompatibilitet gir de unike egenskapene til magnetosomer: fosfolipidskall, høy krystallinitet og kjemisk renhet, sterk magnetisering, jevn fordeling av form og størrelse. Det antas at de vil kunne erstatte de kunstige magnetiske nanopartikler.

Tenk på noen aspekter ved bruk av magnetosomer.

Membran modifikasjon

Fig. 7. Innføring av ulike funksjonelle grupper i membranen av magnetosomer: og – immobilisering av enzymer og fluoroforetiketter (for eksempel grønt fluorescerende protein); b – bruk av hybridproteiner (oppnådd ved ekspresjon av flere "tverrbundne" gener som opprinnelig kodet for enkelte proteiner) og streptavidinetiketter for forankring av biomolekyler (DNA eller antistoffer) merket med biotin; i – dannelse av komplekser med gullpartikler eller kvantepunkter ved bruk av DNA-linkere; g – bruk av modifiserte magnetosommembranproteiner og immunglobulinbindende proteiner. MM – magnetosom membran MMP – magnetosomale proteiner SAV – streptavidin

Magnetosomemembranen, som ligner membranene i celler og organeller, er en naturlig bærer for mange signalmolekyler. Metoder for genteknologi lar deg lage magnetosomer med en modifisert membran, for eksempel med integrerte proteiner (figur 7). Således ble bakterielle magnetosomer anvendt for å immobilisere to enzymer, glukooksidase og urikase, som viste 40 ganger mer aktivitet enn når de ble immobilisert på kunstige magnetiske partikler (Anvendt mikrobiologi og bioteknologi, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomer med antistoffer immobilisert på overflaten kan brukes til enzymimmunoassays, inkludert deteksjon av allergener og epitelcarsinomceller. Hvis magnetosomene er belagt med antistoffer som er spesifikke for visse celler, kan disse cellene isoleres direkte fra biologiske væsker: En magnetisk merke gjør dem enkle å montere.

Direkte dopinglevering

Det finnes eksperimenter der stoffet blir levert til svulsten, ikke av magnetosomer, men av hele MTB-celler (Natur Nanoteknologi, 2016, 11, 941-947). Til stamceller Magnetococcus marinus MC-1 festet ca. 70 medikamentbelastede nanoliposomer og introduserte disse bakteriene til immunodeficiente mus som hadde tumorer inokulert. Under magnetisk kontroll trengte opptil 55% av MC-1-cellene inn i svulsten. I dette tilfellet er det også bemerkelsesverdig at hypoksi – oksygenmangel – er karakteristisk for tumorvev, og derfor kan bruk av mikroorganismer som utviser en magneto-aerotaktisk oppførsel, gjøre behandlingen mye mer effektiv.

Gene levering

En attraktiv, moderne tilnærming for å oppnå antigen-spesifikk immunitet – de såkalte DNA-vaksinene: DNA med spesifikke gener blir introdusert i kroppen, produktene som forårsaker beskyttende reaksjoner i kroppen.Imidlertid er det for øyeblikket ikke noe lett og effektivt system for levering av DNA-vaksiner til antigen-presenterende celler. Magnetosomer er en god konkurrent for denne rollen. For eksempel ble det utført eksperimenter på mus der den magnetosombaserte DNA-vaksinen økte den systemiske immunresponsen mot svulster, og ingen toksiske effekter ble observert (Genterapi, 2012, 19(12), 1187-1195).

Magnetic resonance imaging

Takket være magnetosomer forventes en revolusjon i diagnosen og behandlingen av mange sykdommer. Magnetic resonance imaging (MRI) er en avbildningsmetode basert på prinsippene for atommagnetisk resonans, den brukes primært til å skaffe høykvalitetsbilder av indre organer. For overfølsom MR brukes kontrastmidler ofte som gjør bildet mer nøyaktig – for eksempel magnetiske nanopartikler med jevn størrelse og form.

Den kontrastvirkende effekten av magnetosomer ble studert ved å visualisere det muskulære nettverket av musens hjerne (figur 8). Selv en liten dose av dem fikk lov til å få et godt bilde. Til sammenligning valgte vi to typer kontrastmidler (kunstige magnetiske nanopartikler av jernoksid, et magnetosom) og saltvann som en kontroll.Den største magnetiske aktiviteten ble observert i henholdsvis magnetosomene, angiogrammer var mer synlige (Avanserte helsetjenester, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Fig. 8. 3D-angiogrammer av musens hjerne etter injeksjon av en klinisk dose av et kontrastmiddel: og – 100 μl saltvann; b 100 μl jernoksid, 20 μmol / kg; i 100 μl magnetosomer MV-1, 20 μmol / kg

hypertermi

Magnetic Liquid Hyperthermia (MZHG) er injeksjon av en væske som inneholder magnetosomer direkte inn i en svulst, og deretter genereringen av et vekslende magnetfelt rundt det. I dette tilfellet er svulsten ødelagt av varmen som blir spalt av magnetiske nanopartikler, og sunt vev oppvarmer ikke opp. I forsøket viste magnetosomer høyere antitumor-effekt (med fullstendig forsvunnelse av svulsten) sammenlignet med kjemisk syntetisert jernoksid, og overlevelsesgraden av mus var signifikant høyere (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritisk gjennomgang i bioteknologi, 2016; 36(5), 788-802).

Ikke bare biovitenskap

Magnetosomer har også blitt gjenstand for interesse for geologer, paleontologer og astrobiologer. Faktum er at i mangel av andre kilder kan magnetosomer være nesten de eneste bærere av gjenværende magnetisk induksjon. Ved å bruke isotopanalyse og andre metoder kan man dømme alderen av sedimenter som inneholder magnetosomer, ogBle det endringer i jordens magnetfelt på den tiden? Og til slutt – om endringen av polene, historien om opprinnelsen deres, bevegelsen av tektoniske plater og mange andre ting (Fremskritt i anvendt mikrobiologi, 2007, 62, 21-62).

Dermed er magnetosomer brukt i ulike fagområder innen vitenskap og teknologi. Metodene for å dyrke magnetotaktiske bakterier utvikler seg raskt, produktiviteten av stammer øker kontinuerlig. Kanskje i de neste årtier vil bakterielle "nanokompasser" bli et viktig bioteknologisk produkt, sammen med medisinske isotoper og fluorescerende proteiner.

litteratur
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Økologi, mangfold og evolusjon av magnetotaktiske bakterier // Mikrobiologi og molekylærbiologi Anmeldelser. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10,1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktiske bakterier, magnetosomer og deres anvendelse // Mikrobiologisk forskning. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Den bakterielle magnetosom: En unik prokaryotisk organel // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosombiogenese i magnetotaktiske bakterier // Nature Review Microbiology. 2016, 14, 621-637. DOI: 10,1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktiske bakterier: Fremtidens nanodrivere // Kritiske anmeldelser i bioteknologi. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: