Żywe magnesy

Żywe magnesy

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Chemia i życie" №4, 2018

Istnieją mikroorganizmy zdolne do orientowania się w polu magnetycznym – bakteriach magnetotaktycznych. Magnetosomy pomagają im w tym – nanoskalowe cząstki paramagnetyczne przebrane za membranę lipidową. Ale nie tylko bakterie potrzebują magnetosomów. Ten wynalazek, wraz z antybiotykami i systemem CRISPR do specyficznego cięcia DNA, jest chętnie zapożyczany przez ludzi.

MTB: kim oni są?

Żelazo jest jednym z najbardziej dostępnych pierwiastków chemicznych na świecie i jednym z najważniejszych dla żywych organizmów. Biogeochemiczna cyrkulacja żelaza obejmuje dwie główne reakcje – redukcję i utlenianie, czyli interkonwersję żelaza trójwartościowego i dwuwartościowego (Fe3+ ↔ Fe2+).

Żelazo jest częścią enzymów i nośników elektronów, które biorą udział w procesach metabolicznych, w tym takich podstawowych, jak fotosynteza, oddychanie itp. Mikroorganizmy wykorzystują różne formy żelaza w procesach energetycznych – jako donory elektronów lub akceptory.

Jednak niektóre bakterie znalazły inne zastosowanie dla tego pierwiastka. Wytwarzają magnetosomy – kryształy magnetyczne, pokryte membraną i funkcjonujące jako urządzenia nawigacyjne.Takie bakterie nazywają się magnetotaktycznie. Po raz pierwszy w recenzowanym czasopiśmie, mikrobiolog z Instytutu Oceanografii Woods-Hole, Richard Blackmore, opisał je w 1975 roku. Bakterie magnetotaktyczne (MTB) żyją w ekosystemach wodnych i mogą poruszać się wzdłuż linii pola magnetycznego. Wszystkie z nich są mikroaerofilami lub beztlenowcami, to znaczy na całe życie preferują warunki o małej lub zerowej zawartości tlenu.

Ryc. 1. Zróżnicowana morfologia MTB: a – vibrio; b, g – patyczki; w – cocci; d – spirilla; e – bakterie "wielokomórkowe". Obraz: Badania mikrobiologiczne, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologia tych bakterii może być różna – między innymi spirillis, cocci, kije, vibrios (ryc. 1). Istnieją również magnetotaktyczne "wielokomórkowe" bakterie – na przykład agregaty komórkowe Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale and Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Zdolność do syntezowania magnetosomów nie jest cechą filogenetyczną, ich przedstawiciele należą do różnych grup filogenetycznych (ryc. 2). Z drugiej strony, wśród jednej klasy, a nawet rodzaju, znajdują się zarówno bakterie MTB, jak i niemagnetyczne.

Magnetosomy, te unikalne organelle, zawierają kryształy związków żelaza o wielkości kilku nanometrów. Kryształy mogą składać się z magnetytu Fe3O4 lub greigit Fe3S4. Wielkość magnetosomów wynosi około 35-120 nm, a kształt, wielkość i organizacja wewnątrzkomórkowa są bardzo zróżnicowane (ryc. 3).

Ryc. 2 Główne grupy filogenetyczne, wśród których odkryto bakterie magnetotaktyczne i niektóre z ich przedstawicieli. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Ryc. 3 Formy magnetosomów: a – cuboctahedral; bw – wydłużony pryzmatyczny; g – Ząb; d – punktor. Obraz: Nature Reviews Mikrobiologia, 2016, 14, 621-637.

Biomineralizacja magnetosomów

Obecnie zidentyfikowano ponad 40 genów kodujących białka związane z syntezą magnetosomów. Wszystkie geny odpowiedzialne za biomineralizację magnetosomów są zbierane w jednym miejscu chromosomu bakteryjnego – na tak zwanej wyspie genomowej magnetosomu (MAI). Składa się z kilku operonów. (Operon jest częścią chromosomu z zestawem genów, których produkty zapewniają specyficzną funkcję komórki, na przykład, transport i przyswajanie pewnej substancji, więc logiczne jest jednoczesne aktywowanie wszystkich tych genów.) W każdym MTB znajduje się zestaw konserwatywnych genów: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Ryc. 4 Schemat struktury magnetosomu. Zdjęcie: 2015.igem.org

Kryształ magnetyczny otacza membranę.Powstaje z inwaginacji błony cytoplazmatycznej komórki i składa się z dwuwarstwy lipidowej o grubości 3-4 nm, w której wstawiane są specyficzne białka odpowiedzialne za syntezę magnetosomów (ryc. 4). W ten sposób najpierw powstają pęcherzyki magnetyczne (pęcherzyki), a następnie żelazo gromadzi się wewnątrz nich.

Po bezpiecznym dostarczeniu żelaza do pęcherzyka magnetosomalnego rozpoczyna się następny etap – nukleacja lub nukleacja kryształów, która jest regulowana przez białka specyficzne dla MTB. Znajdują się one na powierzchni membrany magnetosomu i wewnątrz pęcherzyka. Kryształy w dojrzałych magnetosomach są podobne pod względem wielkości i kształtu.

Używając specjalnego białka MamJ, pęcherzyki są przyczepione do równoległych włókien cytoszkieletu (ryc. 5). Nici te są tworzone przez białko MamK.

Ryc. 5 Etapy powstawania łańcucha magnetosomów: a – komórka bez magnetosomów; b – pęcherzyki magnetosomów (widoczne kubki); w – transport żelaza do pęcherzyków; g – montaż łańcucha magnetosomu (gwiazdka – MamJ; linia przerywana – wątki MamK); d – podział komórek, siły magnetyczne zmniejszają się, gdy komórki są wygięte i jednokierunkowe pogłębienie ściany komórkowej; e – łańcuchy magnetosomów przemieszczają się do środka komórki wzdłuż łańcucha MamK. Obraz: Nature Reviews Mikrobiologia, 2016, 14, 621-637.

Nawigacja

Każdy magnetosom ma moment magnetyczny i jest magnesem z biegunem północnym i południowym. Im dłuższy jest łańcuch magnetosomów, tym większy moment magnetyczny i odpowiednio mocniejszy magnes. Łańcuchy te są czujnikami komórkowymi, które wykrywają kierunek i gradienty pól magnetycznych.

Dlaczego bakterie go potrzebują?

Główna hipoteza wiąże się z poszukiwaniem korzystnych warunków. Nie mówiliśmy od niechcenia, że ​​MTB jest mikroaerofilne lub beztlenowe: nie lubią nadmiaru tlenu. Optymalne dla nich parametry występują często w obszarze osadów dennych, gdzie następuje przejście między strefami beztlenowymi i beztlenowymi. Używając magnetosomów jako miniaturowego wbudowanego kompasu, orientują się wzdłuż linii pola magnetycznego i poruszają się za pomocą wić, zmieniając głębokość nurkowania. Linie magnetyczne na większości kuli ziemskiej (z wyjątkiem strefy równikowej) są skierowane pod kątem do powierzchni, więc ruch wzdłuż nich musi koniecznie prowadzić do dna. Ponadto bakterie są ukierunkowane na sygnały aerotaktyczne – zmianę stężenia tlenu, który jest nazywany magnetotaksją lub magnetoerotaksą (ryc. 6).

Ryc. 6 Magnetyczny aerotexis.Na półkuli północnej MTB ma tendencję do magnetycznego południa i nazywa się poszukiwaczem północnym, na półkuli południowej – poszukiwaczem na południe

Oczywiście mechanizm percepcji pola magnetycznego MTB jest znacznie bardziej skomplikowany niż prosta orientacja wzdłuż linii siły. Badania szczepu Magnetospirillum magneticum AMB-1 pokazał, że bakterie mogą być również zorientowane pod kątem gradientów pól magnetycznych pochodzących z różnych obiektów, czy to zwykłego magnesu, czy też dolnych złogów magnetycznych (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Taka wrażliwość może chronić komórki przed namagnesowaniem do źródeł pola magnetycznego w ich siedliskach. Na przykład, gdy bakteria okaże się być blisko skupisk magnetytu powstałego w czasie wymierania innych podobnych bakterii, prawdopodobnie jego własne magnetosomy zatrzymają ją w tym miejscu, jeśli nie zacznie ona poruszać się w przeciwnym kierunku w czasie.

Istnieją opinie, że magnetosomy mogą odgrywać inną rolę w komórkach, które nie są związane z orientacją. Jest mało prawdopodobne, aby pełniły funkcję przechowywania żelaza: magnetosomy są obecne w komórkach, nawet z niedoborem tego pierwiastka w środowisku. Sugerowano, że biomineralizacja magnetosomów może być częścią pradawnego szlaku metabolicznego,w której magnetosomy odgrywały rolę magazynowania jonów żelaza stosowanych jako akceptory lub donory elektronów w procesach energii komórkowej (Raporty dotyczące mikrobiologii środowiskowej, 2017). Jednak ta wersja nadal wymaga eksperymentalnego potwierdzenia.

Biotechnologiczne zastosowanie magnetosomów

Sztuczne nanocząstki ze stałym lub indukowanym momentem magnetycznym są obecnie wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu: od komercyjnych zestawów do izolacji biomolekuł do leków medycznych. W przypadku zastosowań medycznych zwykle stosuje się kapsułki lub bioinertyczne matryce związków organicznych. Pod wpływem pola magnetycznego poruszają się wokół ciała i wykonują różne funkcje.: wiążą się z komórkami, dostarczają narkotyki itd.

Czy magnetyczne nanocząsteczki są bezpieczne dla organizmu? Chociaż większość składników żywych organizmów jest słabo diamagnetycznych, stwierdzono, że niektóre organizmy przenoszą cząstki paramagnetyczne (zwykle magnetyt). Na przykład kryształy magnetytu są obecne w ciele ptaków, niektórych owadach, a nawet w ludzkim mózgu. Zgodnie z jedną teorią są one wykorzystywane do orientacji w polu magnetycznym Ziemi.

Sztuczne magnetyczne nanocząstki (IMN) wykazują znacznie większą cytotoksyczność i genotoksyczność w porównaniu z magnetosomami, a prawdopodobieństwo martwicy tkanek, gdy jest stosowane, jest znacznie wyższe. W związku z tym chińscy naukowcy przeprowadzili eksperyment, w którym IMN lub magnetosomy zostały wstrzyknięte do hodowli komórek nabłonka barwnikowego ludzkiej siatkówki (Raporty naukowe, 2016, 6, 2696). Komórki traktowane magnetosomami zachowały normalną morfologię, podczas gdy komórki z IMN zostały zniszczone. Zarówno magnetosomy, jak i IMN mają genotoksyczność. Jednak uszkodzenie spowodowane przez IMN było znaczące i spowodowało samodestrukcję komórki (apoptoza), podczas gdy w komórkach traktowanych za pomocą magnetosomów apoptoza była ogólnie tłumiona.

Jest prawdopodobne, że biokompatybilność zapewnia unikalne właściwości magnetosomów: powłokę fosfolipidową, wysoką krystaliczność i czystość chemiczną, silne namagnesowanie, równomierny rozkład kształtu i wielkości. Zakłada się, że będą one w stanie całkowicie zastąpić sztuczne magnetyczne nanocząstki.

Zastanów się nad niektórymi aspektami wykorzystania magnetosomów.

Modyfikacja membrany

Ryc. 7 Wprowadzenie różnych grup funkcyjnych do membrany magnetosomów: a – immobilizacja enzymów i znaczników fluoroforów (na przykład, zielone białko fluorescencyjne); b – zastosowanie białek hybrydowych (uzyskanych przez ekspresję kilku "usieciowanych" genów, które pierwotnie kodowały pojedyncze białka) i znaczników streptawidynowych do kotwiczenia biomolekuł (DNA lub przeciwciał) znakowanych biotyną; w – tworzenie kompleksów z cząsteczkami złota lub kropek kwantowych za pomocą łączników DNA; g – zastosowanie zmodyfikowanych białek błon komórkowych i białek wiążących immunoglobuliny. MM – membrana magnetosomowa, Mmp – białka magnetosomalne, SAV – streptawidyna

Membrana magnetosomu, podobnie jak membrany komórek i organelli, jest naturalnym nośnikiem wielu cząsteczek sygnałowych. Metody inżynierii genetycznej pozwalają na tworzenie magnetosomów ze zmodyfikowaną membraną, na przykład zintegrowanymi białkami (ryc. 7). Tak więc, magnetosomy bakteryjne zostały użyte do unieruchomienia dwóch enzymów, glukooksydazy i urykazy, które wykazały 40-krotnie większą aktywność niż przy unieruchomieniu na sztucznych cząstkach magnetycznych (Applied Microbiology and Biotechnology, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomy z przeciwciałami unieruchomionymi na powierzchni można stosować do testów immunoenzymatycznych, w tym do wykrywania alergenów i komórek nabłonka. Jeśli magnetosomy są pokryte przeciwciałami specyficznymi dla niektórych komórek, komórki te można izolować bezpośrednio z płynów biologicznych: znacznik magnetyczny ułatwia ich montaż.

Ukierunkowane dostarczanie leków

Istnieją eksperymenty, w których lek jest dostarczany do guza nie przez magnetosomy, ale przez całe komórki MTB (Nanotechnologia przyrody, 2016, 11, 941-947). Aby wzmocnić komórki Magnetococcus marinus MC-1 przywiązał około 70 nanoliposomów obciążonych lekiem i wprowadził te bakterie do myszy z niedoborem odporności, którym zaszczepiono nowotwory. Pod kontrolą magnetyczną do guza przeniknęło do 55% komórek MC-1. W tym przypadku warto również zauważyć, że niedotlenienie – niedobór tlenu – jest charakterystyczne dla tkanek nowotworowych, dlatego stosowanie drobnoustrojów wykazujących zachowanie magneto-aerotaktyczne może znacznie zwiększyć skuteczność terapii.

Dostarczanie genów

Atrakcyjne nowoczesne podejście do uzyskania odporności swoistej na antygen – tak zwane szczepionki DNA: DNA o określonych genach jest wprowadzane do organizmu, którego produkty powodują reakcje obronne organizmu.Jednak obecnie nie ma łatwego i skutecznego systemu dostarczania szczepionek DNA do komórek prezentujących antygen. Magnetosomy są dobrym pretendentem do tej roli. Na przykład, przeprowadzono eksperymenty na myszach, w których szczepionka DNA na bazie magnetosomu zwiększyła ogólnoustrojową odpowiedź immunologiczną przeciwko nowotworom i nie zaobserwowano żadnych efektów toksycznych (Terapia genowa, 2012, 19(12), 1187-1195).

Rezonans magnetyczny

Dzięki magnetosomom oczekuje się rewolucji w diagnostyce i leczeniu wielu chorób. Rezonans magnetyczny (MRI) jest metodą obrazowania opartą na zasadach jądrowego rezonansu magnetycznego, wykorzystywaną przede wszystkim do uzyskiwania wysokiej jakości obrazów narządów wewnętrznych. W przypadku nadwrażliwości MRI powszechnie stosuje się środki kontrastowe, które sprawiają, że obraz jest bardziej dokładny – na przykład magnetyczne nanocząstki o jednolitym rozmiarze i kształcie.

Porównawczą skuteczność magnetosomów badano w wizualizacji sieci naczyniowej mózgu myszy (ryc. 8). Nawet niewielka ich dawka pozwoliła uzyskać dobry obraz. Dla porównania wybraliśmy dwa rodzaje środków kontrastowych (sztuczne magnetyczne nanocząsteczki tlenku żelaza, magnetosomu) i sól fizjologiczną jako kontrolę.Największą aktywność magnetyczną zaobserwowano w magnetosomach, odpowiednio, angiogramy były bardziej widoczne (Zaawansowane świadczenia opieki zdrowotnej, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Ryc. 8 3D-angiogramy mózgu myszy po wstrzyknięciu klinicznej dawki środka kontrastowego: a – 100 μl soli fizjologicznej; b – 100 μl tlenku żelaza, 20 μmol / kg; w – 100 μl magnetosomów MV-1, 20 μmol / kg

Hipertermia

Magnetyczna Ciekła Hipertermia (MZHG) to wstrzyknięcie płynu zawierającego magnetosomy bezpośrednio do guza, a następnie generowanie zmiennego pola magnetycznego wokół niego. W tym przypadku guz jest niszczony przez ciepło rozpraszane przez nanocząstki magnetyczne, a zdrowe tkanki nie nagrzewają się. W eksperymencie magnetosomy wykazały wyższą skuteczność przeciwnowotworową (przy całkowitym zniknięciu guza) w porównaniu z chemicznie zsyntetyzowanym tlenkiem żelaza, a wskaźnik przeżywalności myszy był znacznie wyższy (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Przegląd krytyczny w biotechnologii, 2016; 36(5), 788-802).

Nie tylko nauki o życiu

Magnetosomy stały się również przedmiotem zainteresowania geologów, paleontologów i astrobiologów. Faktem jest, że w przypadku braku innych źródeł magnetosomy mogą być prawie jedynymi nośnikami rezydualnej indukcji magnetycznej. Za pomocą analizy izotopowej i innych metod można ocenić wiek osadów zawierających magnetosomy, orazCzy w tym czasie zachodziły zmiany w polu magnetycznym Ziemi? I na koniec – o zmianie biegunów, historii ich powstania, ruchu płyt tektonicznych i wielu innych rzeczy (Postępy w dziedzinie mikrobiologii stosowanej, 2007, 62, 21-62).

Tak więc magnetosomy są wykorzystywane w różnych dziedzinach nauki i technologii. Metody hodowli bakterii magnetotaktycznych szybko się rozwijają, wydajność szczepów stale rośnie. W ciągu następnych kilku dekad bakteryjne "nanokompasy" mogą stać się ważnym produktem biotechnologicznym, wraz z izotopami medycznymi i białkami fluorescencyjnymi.

Literatura
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologia, różnorodność i ewolucja bakterii magnetotaktycznych // Mikrobiologia i biologia molekularna Recenzje. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10,1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Bakterie magnetotaktyczne, magnetosomy i ich zastosowanie // Badania mikrobiologiczne. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Magnetosom bakteryjny: unikalny organizm prokariotyczny // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23, 63-80; DOI: 10,1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Biogeneza magnetosomu w bakteriach magnetotaktycznych // Nature Review Microbiology. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Bakterie magnetotaktyczne: nanodyscypliny przyszłości // Krytyczne recenzje w biotechnologii. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10,3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:

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