Gyvenamieji magnetai

Gyvenamieji magnetai

Lolita Aleksejeva, Veronika Kozyeva
"Chemija ir gyvybė" № 4, 2018

Yra mikroorganizmai, galintys orientuotis magnetiniame lauke – magnetotaktinės bakterijos. Magnetosomos jiems padeda – nanoskatuose paramagnetines daleles, apsirengtas lipidine membrana. Bet ne tik bakterijoms reikia magnetozomų. Šis išradimas, kartu su antibiotikais ir CRISPR sistema specifinei DNR pjaustymui, lengvai pasiskolina žmones.

MTB: kas jie?

Geležis yra vienas iš labiausiai prieinamų cheminių elementų planetoje ir vienas iš svarbiausių gyvųjų organizmų. Geležies biogeocheminė cirkuliacija susijusi su dviem pagrindinėmis reakcijomis – redukcija ir oksidacija, ty trivalenčio ir dvivalenčio geležies (Fe3+ ↔ Fe2+).

Geležis yra dalis fermentų ir elektronų, kurie dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose, įskaitant tokius pagrindinius kaip fotosintezė, kvėpavimas ir kt. Mikroorganizmai naudoja įvairias geležies formas energetikos procesuose – elektronų donorams ar akceptorams.

Tačiau kai kurios bakterijos rastų dar vieną šio elemento panaudojimą. Jie gamina magnetozomus – magnetinius kristalus, padengtus membrana ir veikia kaip navigacijos įrenginiai.Tokios bakterijos vadinamos magnetotakais. Pirmą kartą peržiūrėtame žurnale Richard Blackmore, Woods-Hole instituto okeanografijos instituto mikrobiologas juos apibūdino 1975 m. Magnetotaktinės bakterijos (MTB) gyvena vandens ekosistemose ir gali judėti magnetinių laukų linijomis. Visi jie yra mikroaerofilai arba anaerobai, tai yra gyvybei, jie teikia pirmenybę sąlygoms, kuriose deguonies kiekis mažas arba jo nėra.

Pav. 1. Įvairūs MTB morfologija: a – vibrio; b, g – lazdos; į – kokos; d – spirilė; e – "daugiasluoksnė" bakterija. Vaizdas: Mikrobiologiniai tyrimai, 2012, 167(9): 507-519.

Šių bakterijų morfologija gali būti skirtinga – tarp jų yra spirilizas, kokiai, lazdos, vibrios (1 pav.). Pavyzdžiui, taip pat yra magnetotakcinės "daugiasluoksnės" bakterijos – ląstelių agregatai Kandidatai Magnetoglobus multicellularis, Ca Magnetomorum litorale ir Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Gebėjimas sintetinti magnetozomus nėra filogenetinis bruožas, jo atstovai priklauso skirtingoms filogenetinėms grupėms (2 pav.). Kita vertus, tarp vienos klasės ir netgi genties yra MTB ir ne magnetotaktinės bakterijos.

Magnetosomos, šios unikalios organelės, turi geležies junginių kristalus, kurių dydis yra keli nanometrai. Kristalai gali sudaryti magnetito Fe3O4 arba greigitas Fe3S4. Magnetosomų dydis yra maždaug 35-120 nm, o forma, dydis ir ląstelių struktūra yra labai įvairios (3 pav.).

Pav. 2 Išskiriamos pagrindinės filogenetinės grupės, tarp kurių yra magnetotaktinės bakterijos ir kai kurie jų atstovai. Molekulinės mikrobiologijos ir biotechnologijos leidinys. 2013, 23(1-2): 63-80.

Pav. 3 Magnetosomų formos: a – kubiakateris; bį – pailgos prizminės; g – dantis; d – bullet. Vaizdas: Gamtos apžvalgos Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

Magnetosominė biomineralizacija

Šiuo metu buvo identifikuoti daugiau nei 40 genetų, koduojančių baltymus, susijusius su magnetozomų sinteze. Visi genetai, atsakingi už magnetosomų biomineralizavimą, yra surenkami vienoje bakterijų chromosomos vietoje – vadinamojoje magnetozomo genomo saloje (MAI). Jį sudaro keli operonai. (Operonas yra chromosomos su genų rinkiniu dalis, kurios produktai suteikia tam tikrą ląstelių funkciją, pavyzdžiui, tam tikros medžiagos transportavimą ir įsisavinimą, todėl logiška vienu metu aktyvuoti visus šiuos genus.) Visame MTB yra rasta konservatyvių genų: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Pav. 4 Magnetosomo struktūros schema. Vaizdas: 2015.igem.org

Membrana supa magnetinis kristalas.Jis susidaro iš ląstelės citoplazminės membranos inaginacijos ir susideda iš lipidinio dvislankio 3-4 nm storio, kuriame įterpiami konkretūs baltymai, kurie yra atsakingi už magnetozomų sintezę (4 pav.). Taigi pirmiausia susidaro magnetozės burbulai (pūsleliai), o viduje jų kaupiasi geležis.

Kai geležis yra saugiai pristatoma į magnetozominę pūslelę, prasideda kitas etapas – kristalų sukėlimas arba sukėlimas, kurį reguliuoja MTB specifiniai baltymai. Jos yra ant magnetizmo membranos paviršiaus ir pūslelės viduje. Brandžiosios magnetozomos kristalai yra panašios dydžio ir formos.

Naudojant specialų MamJ baltymą, pūsleliai pritvirtinami prie lygiagrečių citozoidinių gijų (5 pav.). Šie siūlai yra suformuoti MamK baltymo.

Pav. 5 Magnetozomo grandinės formavimo etapai: a – ląstelė be magnetozomų; b – magnetozomų pūsleliai (parodyta puodeliai); į – geležies transportavimas į vezikulus; g – magnetozomo grandinės surinkimas (žvaigždutė – MamJ; punktyrinė linija – "MamK" temos); d – ląstelių dalijimasis, magnetinės jėgos sumažėja, kai ląstelės yra sulenktos ir vienos krypties gilinimas ląstelių sienos; e – magnetosomų grandinės pereina prie ląstelės centro palei MamK eilutę. Vaizdas: Gamtos apžvalgos Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

Navigacija

Kiekvienas magnetozomas turi magnetinį momentą ir yra magnetas su šiaurės ir pietų poliais. Kuo ilgesnė magnetozoma grandinė, tuo didesnė magnetinė momentas ir atitinkamai stipresnis magnetas. Šios grandinės yra korinių jutikliai, kurie aptinka magnetinių laukų kryptį ir gradientus.

Kodėl bakterijoms tai reikia?

Pagrindinė hipotezė yra susijusi su palankių sąlygų paieška. Mes neįprastai paminėjome, kad MTB yra mikroaerofilinis arba anaerobinis: jiems nepatinka deguonies perteklius. Optimalūs jų parametrai dažniausiai yra dugno nuosėdose, kur yra perėjimas tarp deguonies ir deguonies neturinčių zonų. Naudodamiesi magnetosomomis kaip miniatiūriniu įmontuotu kompasu, jie orientuojasi kartu magnetinės lauko linijomis ir perkelia žiedlapių pagalba, keičiant nardymo gylį. Magnetinės linijos didžiojoje pasaulio dalyje (išskyrus ekvatorinę zoną) yra nukreiptos kampu į paviršių, todėl judėjimas išilgai jų neišvengiamai sukels dugną. Be to, bakterijos yra orientuotos į aerotaksinius signalus – deguonies koncentracijos pokyčius. Šis judėjimo tipas yra vadinamas magnetotaksis arba magnetoaerotaksis (6 pav.).

Pav. 6 Magnetinis aeroteksis.Šiauriniame pusrutulyje MTB linkęs į magnetinę pietus ir vadinamas šiaurės ieškotoju, pietiniame pusrutulyje – pietų ieškotoju

Žinoma, MTB magnetinio lauko suvokimo mechanizmas yra daug sudėtingesnis nei paprasta orientacija jėgos linijose. Slėgio tyrimai Magnetospirillum magneticum AMB-1 parodė, kad bakterijos taip pat gali būti orientuotos į magnetinių laukų gradientus, kylančius iš įvairių objektų, nes tai yra reguliarūs magnetiniai ar dugno magnetiniai indai (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Toks jautrumas gali apsaugoti ląsteles nuo įmagnetinimo iki magnetinio lauko šaltinių jų buveinėse. Pvz., Kai bakterija pasirodo esanti arti magnetito grupių, suformuotų kitų panašių bakterijų išnykimo metu, tikėtina, kad jos savos magnetosomos laikys ją šioje vietoje, jei ji nebus pradėta judėti priešinga kryptimi.

Išreikštos nuomonės, kad magnetozomos gali veikti skirtingai ląstelėse, nesusijusios su orientacija. Mažai tikėtina, kad jie atlieka geležies saugojimo funkciją: magnetozomos yra ląstelėse, net jei šio elemento trūkumas aplinkoje. Manoma, kad magnetozomų biomineralizacija gali būti senosios metabolizmo kelio dalis,kur magnetozomos vaidino geležies jonų, naudojamų kaip akceptoriai ar elektronų donorai, saugojimo procesus (Aplinkos mikrobiologijos ataskaitos, 2017 m.). Tačiau ši versija vis dar reikalauja eksperimento patvirtinimo.

Magnetosomų naudojimas biotechnologijomis

Dirbtinės nanodalelės, turinčios nuolatinį arba sukeltą magnetinį momentą, dabar naudojamos įvairiose pramonės šakose: nuo komercinių rinkinių, skirtų biomolekulių izoliacijai iki medicininių vaistų. Medicinos reikmėms jie dažniausiai dedami ant organinių junginių kapsulių ar bioinertinių matricų. Pagal magnetinio lauko įtaką jie judindami kūną ir atlieka įvairias funkcijas.: prisijungti prie ląstelių, pristatyti vaistus ir tt

Ar magnetinės nanodalelės yra saugios organizmui? Nors dauguma gyvųjų organizmų komponentų yra silpnai diamagnetiniai, nustatyta, kad kai kurie organizmai turi paramagnetines daleles (dažniausiai magnetitas). Pvz., Magnetito kristalai yra paukščių kūne, kai kuriuose vabzdžiuose ir net žmogaus smegenyse. Remiantis viena teorija, jie naudojami orientavimui Žemės magnetiniame lauke.

Dirbtinės magnetinės nanodalelės (IMN) žymiai didesnį citotoksiškumą ir genotoksiškumą, palyginti su magnetosomomis, ir audinių nekrozės tikimybė, kai naudojama, yra daug didesnė. Taigi, Kinijos mokslininkai atliko eksperimentą, kuriame IMN ar magnetozomos buvo įterpta į žmogaus tinklainės pigmento epitelio ląstelių kultūrą (Mokslinės ataskaitos, 2016, 6, 2696). Ląstelės, apdorotos magnetosomomis, palaikė normalią morfologiją, o ląstelės su IMN buvo sunaikintos. Tiek magnetozomos, tiek IMN genotoksiškumas. Tačiau IMN padaryta žala buvo reikšminga ir ląstelė sunaikino (apoptozė), o ląstelėse, gydomose magnetosomomis, apoptozė paprastai buvo slopinama.

Tikėtina, kad biologinis suderinamumas suteikia unikalias magnetozomų savybes: fosfolipidinį apvalkalą, aukštą kristališkumą ir cheminį grynumą, stiprų įmagnetinimą, vienodą formos ir dydžio pasiskirstymą. Manoma, kad jie galės visiškai pakeisti dirbtines magnetines nanodaleles.

Apsvarstykite kai kuriuos magnetozomų naudojimo aspektus.

Membraninis modifikavimas

Pav. 7 Įvairių funkcinių grupių įvedimas į magnetozomų membraną: a – fermentų ir fluoroforo etikečių imobilizavimas (pavyzdžiui, žalias fluorescuojantis baltymas); b – hibridinių baltymų (gaunamų išryškinant keletą "kryžminių" genų, kurie iš pradžių koduoja atskirus baltymus) ir streptavidino etikečių, skirtų biotinkams paženklintų biomolekulių (DNR arba antikūnų) įtvirtinimui, naudojimo; į – kompleksų, turinčių aukso daleles ar kva- tinius taškus, formavimąsi naudojant DNR linkerius; g – modifikuotų magnetozomų membranų baltymų ir imunoglobuliną surišančių baltymų panaudojimas. MM – magnetozomosios membranos, Mmp – magnetozominiai baltymai, SAV – streptavidiną

Magnetosomų membrana, panaši į ląstelių ir organelių membranas, yra natūralus nešėjas daugeliui signalizavimo molekulių. Genetinės inžinerijos metodai leidžia kurti magnetozomus su modifikuotu membrana, pavyzdžiui, su integruotu baltymu (7 pav.). Taigi, bakterijų magnetozomos buvo imobilizuojamos dviejų fermentų, gliukoksidazių ir uricazės, kurių aktyvumas buvo 40 kartų didesnis nei imobilizuotas ant dirbtinių magnetinių dalelių (Taikomosios mikrobiologijos ir biotechnologijos, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomos su antikūnų, imobilizuotų ant paviršiaus, gali būti naudojamos fermentų imunologiniams tyrimams, įskaitant alergenų ir epitelio karcinomos ląstelių aptikimą. Jei magnetosomos yra padengtos tam tikroms ląstelėms specifinėmis antikūnų, šios ląstelės gali būti izoliuotos tiesiai iš biologinių skysčių: magnetinė žymė juos lengva surinkti.

Rekomenduojamas vaistų pristatymas

Yra eksperimentų, kuriais vaistas į naviką patenka ne magnetosomomis, bet visomis MTB ląstelėmis (Gamtos nanotechnologijos, 2016, 11, 941-947). Įtempti ląsteles Magnetococcus marinus MC-1 pritvirtinta apie 70 narkotinių medžiagų turinčių nanoliposomų ir šias bakterijas įvedė imunodeficituotoms pelėms, vakcinuotoms su navikais. Pagal magnetinį valdymą iki 55% MC-1 ląstelių prasiskverbė į naviką. Šiuo atveju taip pat reikia atkreipti dėmesį į tai, kad naviko audiniuose būdinga hipoksija – deguonies trūkumas, todėl mikroorganizmų, turinčių magnetinio aerotakso elgesį, naudojimas gali padaryti gydymą daug veiksmingesne.

Genas pristatymas

Patrauklus modernus būdas pasiekti antigenui specifinį imunitetą – vadinamosios DNR vakcinos: į organizmą patenka DNR su specifiniais genais, kurių produktai sukelia organizmo apsaugines reakcijas.Tačiau šiuo metu nėra lengvos ir veiksmingos sistemos, skirtos DNR vakcinų pristatymui į antigeną pateikiančias ląsteles. Magnetosomos yra geras kandidatas už šį vaidmenį. Pavyzdžiui, buvo atlikti bandymai su pelėmis, kurių magnetozoma pagrįsta DNR vakcina padidino sisteminį imuninį atsaką nuo navikų ir toksinio poveikio nepastebėta (Genų terapija, 2012, 19(12), 1187-1195).

Magnetinio rezonanso vaizdavimas

Dėl magnetosomų, tikimasi daugelio ligų diagnozavimo ir gydymo revoliucijos. Magnetinio rezonanso tomografija (MRT) – tai atvaizdavimo metodas, pagrįstas branduolio magnetinio rezonanso principais, jis pirmiausia naudojamas aukštos kokybės vaizdams gauti iš vidaus organų. Padidėjus jautrumui MRT dažniausiai naudojami kontrastiniai preparatai, dėl kurių vaizdas tampa tikslesnis, pavyzdžiui, vienodo dydžio ir formos magnetinės nanodalelės.

Kontrastinis magnetozomų efektyvumas buvo ištirtas vizualizuojant pelių smegenų kraujagyslių tinklą (8 pav.). Netgi nedidelė jų dozė leido gauti gerą vaizdą. Palyginimui, pasirinkome dviejų tipų kontrastinius agentus (dirbtines magnetines nanodaleles iš geležies oksido, magnetozomą) ir fiziologinį tirpalą kaip kontrolę.Didžiausia magnetinė aktyvumas buvo stebimas magnetozomose, atitinkamai angiogramos buvo matomos (Išplėstinės sveikatos priežiūros priemonės, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Pav. 8 Praktinės trimačios angiogramos po klinikinės kontrastinės medžiagos dozės injekcijos: a – 100 μl druskingo tirpalo; b – 100 μl geležies oksido, 20 μmol / kg; į – 100 μl magnetozomų MV-1, 20 μmol / kg

Hipertermija

Magnetinė skysčio hipertermija (MZHG) – tai skysčio, kuriame yra magnetozomų, tiesiogiai į naviką, o tada sukuriamas kintamasis magnetinis laukas aplink jį. Tokiu atveju navikas sunaikinamas dėl magnetinių nanodalelių išsklaidytos šilumos, o sveiki audiniai nešildomi. Eksperimento metu magnetosomomis buvo didesnis priešnavikinis veiksmingumas (visiškai išnykus navikui), palyginti su chemiškai sintetu geležies oksidu, o pelių išgyvenamumas buvo žymiai didesnis (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritiškas biotechnologijų apžvalga, 2016; 36(5), 788-802).

Ne tik gyvosios gamtos mokslai

Magnetosomos taip pat tapo geologų, paleontologų ir astrobiologų aktualiais objektais. Faktas yra tas, kad, nesant kitų šaltinių, magnetozomos gali būti beveik vienintelės magnetinio indukcijos liekamosios dalys. Naudojant izotopinę analizę ir kitus metodus, galima spręsti apie magnetozomų turinčių nuosėdų amžių, irAr tuo metu atsirado Žemės magnetinio lauko pokyčiai? Ir galų gale – apie polių pasikeitimą, jų kilmės istoriją, tektoninių plokštelių judėjimą ir daugelį kitų dalykų (Pažangos taikomoji mikrobiologija, 2007, 62, 21-62).

Taigi, magnetosomos naudojamos įvairiose mokslo ir technologijų srityse. Magnetotaktinių bakterijų auginimo metodai sparčiai vystosi, štamų produktyvumas nuolat auga. Galbūt per artimiausius dešimtmečius bakterijų "nanocomposes" taps svarbiu biotechnologiniu produktu, kartu su medicinos izotopais ir fluorescuojančiais proteinais.

Literatūra
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologija, įvairovė ir magnetotaktinių bakterijų raida // Mikrobiologijos ir molekulinės biologijos apžvalgos. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktinės bakterijos, magnetozomos ir jų taikymas // Mikrobiologiniai tyrimai. 2012 m., 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakterijų magnetozė: unikalus prokariotinis organelas Molekulinės mikrobiologijos ir biotechnologijos leidinys. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosomų biogenezė magnetotaktinėse bakterijose // Gamtos apžvalgos mikrobiologija. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmikro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktinės bakterijos: ateities nanodriveriai // Kritiški atsiliepimai biotechnologijoje. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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