Levende magneter

Levende magneter

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

Der er mikroorganismer, der er i stand til at orientere sig i et magnetfelt – magnetotaktiske bakterier. Magnetosomer hjælper dem i denne – nanoskala paramagnetiske partikler klædt som en lipidmembran. Men ikke kun bakterier har brug for magnetosomer. Denne opfindelse af deres, sammen med antibiotika og CRISPR-systemet til specifik DNA-skæring, er let lånt af mennesker.

MTB: hvem er de?

Jern er et af de mest tilgængelige kemiske elementer på planeten og en af ​​de vigtigste for levende organismer. Den biogeokemiske cirkulation af jern involverer to hovedreaktioner – reduktion og oxidation, dvs. interkonversionen af ​​trivalent og bivalent jern (Fe3+ ↔ Fe2+).

Jern er en del af enzymer og elektronbærere, der er involveret i metaboliske processer, herunder sådanne grundlæggende som fotosyntese, åndedræt osv. Mikroorganismer bruger forskellige former for jern i energiprocesser – som elektrondonorer eller -acceptorer.

Men nogle bakterier har fundet en anden brug for dette element. De producerer magnetosomer – magnetiske krystaller, dækket af en membran og fungerer som navigationsudstyr.Sådanne bakterier kaldes magnetotaktiske. For første gang i en peer-reviewed journal beskriver en mikrobiolog fra Woods-Hole Institute of Oceanography, Richard Blackmore, dem i 1975. Magnetotaktiske bakterier (MTB) lever i akvatiske økosystemer og kan bevæge sig langs magnetfeltlinjer. Alle er mikroaerofiler eller anaerober, det vil sige for livet, foretrækker de forhold med ringe eller ingen iltindhold.

Fig. 1. Forskellig morfologi af MTB: og – vibrio; b, g stænger i – cocci; d – spirilla; e – "multicellulære" bakterier. Billede: Mikrobiologisk forskning, 2012, 167(9): 507-519.

Disse bakteriers morfologi kan være anderledes – blandt dem er spirillis, kokos, sticks, vibrios (figur 1). Der er også magnetotaktiske "multicellulære" bakterier – celleaggregater, for eksempel candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale og Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Evnen til at syntetisere magnetosomer er ikke et fylogenetisk træk, deres repræsentanter tilhører forskellige fylogenetiske grupper (figur 2). På den anden side er der blandt én klasse og endog slægten både MTB og ikke-magnetotaktiske bakterier.

Magnetosomer, disse unikke organeller, indeholder krystaller af jernforbindelser flere nanometre i størrelse. Krystallerne kan bestå af magnetit Fe3O4 eller greig Fe3S4. Magnetosomernes størrelse er ca. 35-120 nm, og formen, størrelsen og intracellulær organisationen er meget forskelligartede (figur 3).

Fig. 2. De vigtigste fylogenetiske grupper, blandt hvilke magnetotaktiske bakterier og nogle af deres repræsentanter blev opdaget. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Fig. 3. Former af magnetosomer: og – cuboctahedral; bi – langstrakte prismatiske g – tand d – kugle Billede: Natur Anmeldelser Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

Magnetosombiomineralisering

I øjeblikket er der blevet identificeret mere end 40 gener, som koder for proteiner forbundet med syntesen af ​​magnetosomer. Alle gener ansvarlig for biomineralisering af magnetosomer opsamles på et sted i bakteriekromosomet – på den såkaldte magnetosom genomiske ø (MAI). Den består af flere operoner. (En operon er en del af et kromosom med et sæt gener, hvis produkter giver en specifik cellefunktion, f.eks. Transport og assimilering af et bestemt stof, så det er logisk at aktivere alle disse gener samtidigt.) Der findes et sæt konservative gener, som findes i alle MTB'er: Mama, Mamb, mamC, mamD, Mame, mamK, Mamo, MAMP, mamQ.

Fig. 4. Diagram over strukturen af ​​magnetosomet. Billede: 2015.igem.org

Magnetkrystal omgiver membranen.Den er dannet ud fra invaginering af den cytoplasmatiske membran i cellen og består af et lipid dobbeltlag 3-4 nm tykt, hvori specifikke proteiner indsættes, som er ansvarlige for syntesen af ​​magnetosomer (figur 4). Således bliver magnetosombobler (vesikler) først dannet, og derpå akkumuleres jern inde i dem.

Efter at jernet er leveret sikkert til den magnetosomale vesikel, begynder den næste fase – kerner, eller kernedannelse af krystaller, som er reguleret af MTB-specifikke proteiner. De er placeret på overfladen af ​​magnetosommembranen og inde i vesiklen. Krystallerne i modne magnetosomer er ens i størrelse og form.

Ved anvendelse af et specielt MamJ-protein fastgøres vesikler til parallelle cytoskeletale filamenter (figur 5). Disse tråde er dannet af MamK protein.

Fig. 5. Stages af dannelse af magnetosomkæden: og – en celle uden magnetosomer b – magnetosome vesikler (vist cirkler); i – transport af jern til vesikler g – montering af magnetosomkæden (stjerne – MamJ; prikket linje – MamK tråde); d – Celleopdeling, magnetiske kræfter falder, når cellerne bøjes og ensrettet dybding af cellevæggen; e – Kæder af magnetosomer bevæger sig til midten af ​​cellen langs MamK-strengen. Billede: Natur Anmeldelser Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

navigation

Hver magnetosom har et magnetisk øjeblik og er en magnet med nord og sydpoler. Jo længere magnetosomkæden er, desto større er det magnetiske øjeblik og dermed stærkere magneten. Disse kæder er cellulære sensorer, der registrerer retningen og gradienterne i magnetfelter.

Så hvorfor har bakterier brug for det?

Hovedhypotesen er relateret til søgen efter gunstige forhold. Vi nævner ikke tilfældigt, at MTB er mikroaerofil eller anaerob: de kan ikke lide overskydende ilt. De optimale parametre for dem ligger ofte i bundbunden, hvor der er en overgang mellem ilt- og iltfri zoner. Ved hjælp af magnetosomer som en miniature indbygget kompas orienterer de sig langs magnetfeltlinjerne og bevæger sig ved hjælp af flagella og varierer dybden af ​​dykket. Magnetiske linjer på størstedelen af ​​kloden (med undtagelse af ækvatorial zone) er rettet vinkel på overfladen, så bevægelse langs dem vil nødvendigvis føre til bunden. Desuden er bakterierne orienteret mod aerotaktiske signaler – en ændring i koncentrationen af ​​ilt. Denne type bevægelse kaldes magnetotaxis eller magnetoaerotaxis (figur 6).

Fig. 6. Magnetisk aerotexis.På den nordlige halvkugle har MTB tendens til den magnetiske syd og kaldes nordsøberen, på den sydlige halvkugle – den sydønske

Selvfølgelig er mekanismen for opfattelse af MTB's magnetiske felt meget mere kompliceret end simpel orientering i kraft af kraft. Stamstudier Magnetospirillum magnetum AMB-1 viste, at bakterier også kan orienteres med hensyn til gradienter af magnetfelter, der kommer fra forskellige objekter, det være sig en regelmæssig magnet eller bundmagnetiske aflejringer (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). En sådan følsomhed kan beskytte celler fra magnetisering til kilderne til magnetfeltet i deres levesteder. Når en bakterie f.eks. Viser sig at være tæt på magnetittens klynger dannet under udryddelsen af ​​andre lignende bakterier, er det sandsynligt, at dets egne magnetosomer vil holde det på dette sted, hvis det ikke begynder at bevæge sig i modsat retning i tide.

Udtalelser udtrykkes, at magnetosomer kan spille en anden rolle i celler, der ikke er relateret til orientering. Det er usandsynligt, at de udfører funktionen af ​​jernopbevaring: magnetosomer er til stede i cellerne, selv med mangel på dette element i miljøet. Det er blevet foreslået, at biomineralisering af magnetosomer kan være en del af en gammel metabolisk vej,i hvilke magnetosomer spillede rollen som opbevaring af jernioner anvendt som acceptorer eller elektrondonorer i cellulære energiprocesser (Miljø Mikrobiologi Rapporter, 2017). Denne version har dog stadig brug for eksperimentel bekræftelse.

Bioteknologisk brug af magnetosomer

Kunstige nanopartikler med et konstant eller induceret magnetisk øjeblik anvendes nu i en række industrier: fra kommercielle kits til isolering af biomolekyler til medicinske lægemidler. Til medicinske anvendelser sættes de normalt på kapsler eller bioinert matricer af organiske forbindelser. Under påvirkning af et magnetfelt bevæger de sig rundt i kroppen og udfører forskellige funktioner.: binde til celler, levere stoffer osv.

Er magnetiske nanopartikler sikkert til kroppen? Selvom de fleste bestanddele af levende organismer er svagt diamagnetiske, blev det konstateret, at nogle organismer bærer paramagnetiske partikler (normalt magnetit). For eksempel er magnetitkrystaller til stede i fuglens, nogle insekter og endda i den menneskelige hjerne. Ifølge en teori anvendes de til orientering i Jordens magnetfelt.

Kunstige magnetiske nanopartikler (IMN) viser signifikant større cytotoksicitet og genotoksicitet sammenlignet med magnetosomer, og sandsynligheden for vævsnekrose ved anvendelse er meget højere. Således gennemførte kinesiske forskere et forsøg, hvor IMN eller magnetosomer blev injiceret i pigmentepitelcellekulturen af ​​det menneskelige nethinde (Videnskabelige rapporter, 2016, 6, 2696). Celler behandlet med magnetosomer opretholdt normal morfologi, mens celler med IMN blev ødelagt. Både magnetosomer og IMN har genotoksicitet. Imidlertid var skaden forårsaget af IMN signifikant og resulterede i cellelødelæggelse (apoptose), mens i celler behandlet med magnetosomer blev apoptose generelt undertrykt.

Det er sandsynligt, at biokompatibilitet giver de unikke egenskaber magnetosomer: fosfolipidskal, høj krystallinitet og kemisk renhed, stærk magnetisering, ensartet fordeling af form og størrelse. Det antages, at de vil være i stand til helt at erstatte de kunstige magnetiske nanopartikler.

Overvej nogle aspekter af brugen af ​​magnetosomer.

Membran modifikation

Fig. 7. Indførelse af forskellige funktionelle grupper i magnetosomens membran: og – immobilisering af enzymer og fluoroformærker (for eksempel grønt fluorescerende protein); b – anvendelse af hybridproteiner (opnået ved ekspression af flere "tværbundne" gener, der oprindeligt kodede for individuelle proteiner) og streptavidinmærker til forankring af biomolekyler (DNA eller antistoffer) mærket med biotin; i – dannelse af komplekser med guldpartikler eller kvantepunkter ved anvendelse af DNA-linkere g – anvendelsen af ​​modificerede magnetosommembranproteiner og immunoglobulinbindende proteiner. MM – magnetosom membran MMP – magnetosomale proteiner SAV – streptavidin

Magnetosomemembranen, der ligner membranerne i celler og organeller, er en naturlig bærer til mange signalmolekyler. Metoder til genteknologi gør det muligt at skabe magnetosomer med en modificeret membran, for eksempel med integrerede proteiner (figur 7). Således blev bakterielle magnetosomer anvendt til at immobilisere to enzymer, glucooxidase og uricase, hvilket viste 40 gange mere aktivitet end når immobiliseret på kunstige magnetiske partikler (Anvendt Mikrobiologi og Bioteknologi, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomer med antistoffer immobiliseret på overfladen kan anvendes til enzymimmunoassays, herunder påvisning af allergener og epithelcarcinomceller. Hvis magnetosomerne er overtrukket med antistoffer, der er specifikke for visse celler, kan disse celler isoleres direkte fra biologiske væsker: Et magnetisk mærke gør dem nemme at samle.

Direkte indgivelse af lægemidler

Der er eksperimenter, hvor lægemidlet leveres til tumoren, ikke af magnetosomer, men af ​​hele MTB-celler (Natur Nanoteknologi, 2016, 11, 941-947). Til stamceller Magnetococcus marinus MC-1 bundet ca. 70 lægemiddelbelastede nanoliposomer og indførte disse bakterier til immunodeficiente mus, som blev vaccineret med tumorer. Under magnetisk kontrol trængte op til 55% af MC-1-celler ind i tumoren. I dette tilfælde er det også bemærkelsesværdigt, at hypoxi – iltmangel – er karakteristisk for tumorvæv, og derfor kan anvendelsen af ​​mikroorganismer, der udviser en magneto-aerotaktisk adfærd, gøre behandlingen meget mere effektiv.

Genleverance

En attraktiv moderne tilgang til opnåelse af antigenspecifik immunitet – de såkaldte DNA-vacciner: DNA med specifikke gener introduceres i kroppen, hvoraf produkterne forårsager defensive reaktioner i kroppen.Imidlertid er der for øjeblikket ikke noget let og effektivt system til levering af DNA-vacciner til antigenpræsenterende celler. Magnetosomer er en god konkurrent for denne rolle. Eksempelvis blev der udført forsøg på mus, hvori den magnetosombaserede DNA-vaccine forøgede det systemiske immunrespons mod tumorer, og der blev ikke observeret toksiske virkninger (Genterapi, 2012, 19(12), 1187-1195).

Magnetic resonance imaging

Takket være magnetosomer forventes en revolution i diagnosen og behandlingen af ​​mange sygdomme. Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er en visualiseringsmetode baseret på principperne om atommagnetisk resonans. Den bruges primært til at opnå billeder af indre organer af høj kvalitet. For overfølsom MR anvendes der ofte kontrastmidler, der gør billedet mere præcist – for eksempel magnetiske nanopartikler med ensartet størrelse og form.

Den kontraherende effektivitet af magnetosomer blev studeret ved visualisering af muskelhjernens vaskulære netværk (figur 8). Selv en lille dosis af dem fik lov til at få et godt billede. Til sammenligning valgte vi to typer kontrastmidler (kunstige magnetiske nanopartikler af jernoxid, et magnetosom) og saltvand som en kontrol.Den største magnetiske aktivitet blev observeret i henholdsvis magnetosomerne, angiogrammerne var mere synlige (Advanced Healthcare Supplies, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Fig. 8. 3D-angiogrammer af musens hjerne efter injektion af en klinisk dosis af et kontrastmiddel: og – 100 μl saltvand b 100 μl jernoxid, 20 μmol / kg; i – 100 μl magnetosomer MV-1, 20 μmol / kg

hypertermi

Magnetic Liquid Hyperthermia (MZHG) er injektion af en væske, der indeholder magnetosomer direkte ind i en tumor, og derefter genereringen af ​​et vekslende magnetfelt omkring det. I dette tilfælde ødelægges tumoren af ​​den varme, der afgives af magnetiske nanopartikler, og sunde væv opvarmes ikke. I eksperimentet viste magnetosomer højere antitumor-virkning (med fuldstændig forsvinden af ​​tumoren) i sammenligning med kemisk syntetiseret jernoxid, og overlevelseshastigheden for mus var signifikant højere (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritisk gennemgang i bioteknologi, 2016; 36(5), 788-802).

Ikke kun biovidenskab

Magnetosomer er også blevet genstand for interesse for geologer, paleontologer og astrobiologer. Faktum er, at magnetosomer i mangel af andre kilder kan være næsten de eneste bærere af residual magnetisk induktion. Ved anvendelse af isotopanalyse og andre metoder kan man dømme alderen af ​​sedimenter indeholdende magnetosomer ogEr der sket ændringer i jordens magnetfelt på det tidspunkt? Og til sidst – om skift af poler, deres oprindelses historie, bevægelsen af ​​tektoniske plader og mange andre ting (Forskud i Anvendt Mikrobiologi, 2007, 62, 21-62).

Således anvendes magnetosomer inden for forskellige fagområder inden for videnskab og teknologi. Metoderne til dyrkning af magnetotaktiske bakterier udvikler sig hurtigt, produktiviteten af ​​stammer stiger kontinuerligt. Måske i de næste par årtier vil bakterielle "nanokompasser" blive et vigtigt bioteknologisk produkt sammen med medicinske isotoper og fluorescerende proteiner.

litteratur
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Økologi, mangfoldighed og udvikling af 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 prokaryot 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:
Skriv et svar

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