Živé magnety

Živé magnety

Lolita Alekseeva, Veronika Kozjeva
"Chémia a život" č. 4, 2018

Existujú mikroorganizmy schopné orientovať sa v magnetickom poli – magnetotaktických baktériách. Magnetozómy im pomáhajú v tomto – paramagnetických časticiach nanometrov, ktoré sú oblečené ako lipidová membrána. Ale nielen baktérie potrebujú magnetozómy. Tento vynález ich spolu s antibiotikami a systémom CRISPR pre špecifické rezanie DNA je ľahko požičaný ľuďmi.

MTB: kto sú?

Železo je jedným z najdostupnejších chemických prvkov na planéte a jedným z najdôležitejších pre živé organizmy. Biogeochemická cirkulácia železa zahŕňa dve hlavné reakcie – redukciu a oxidáciu, to znamená interkonverzia trojmocného a bivalentného železa (Fe3+ ↔ Fe2+).

Železo je súčasťou enzýmov a elektrónových nosičov, ktoré sa podieľajú na metabolických procesoch vrátane takých základných, ako je fotosyntéza, dýchanie atď. Mikroorganizmy používajú rôzne formy železa v energetických procesoch – ako darcovia alebo akceptory elektrónov.

Avšak niektoré baktérie našli ďalšie použitie pre tento prvok. Vyrábajú magnetozómy – magnetické kryštály, ktoré sú pokryté membránou a fungujú ako navigačné zariadenia.Takéto baktérie sa nazývajú magnetotaktické. Po prvýkrát v recenzovanom časopise ich opísal mikrobiológ z Woods-Hole Institute of Oceanography Richard Blackmore v roku 1975. Magnetotaktické baktérie (MTB) žijú vo vodných ekosystémoch a môžu sa pohybovať pozdĺž línie magnetického poľa. Všetky z nich sú mikroaerofily alebo anaeróby, to znamená, že pre život preferujú podmienky s malým alebo žiadnym obsahom kyslíka.

Obr. 1. Rôznorodá morfológia MTB: a – vibrio; b, g – tyčinky; v – koky; d – spirilla; e – "mnohobunkové" baktérie. obrázok: Mikrobiologický výskum, 2012, 167(9): 507-519.

Morfológia týchto baktérií môže byť odlišná – medzi nimi sú spirillis, koky, palice, vibrió (obrázok 1). Existujú aj magnetotaktické "mnohobunkové" baktérie – bunkové agregáty Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale a Ca, Magnetananas tsingtaoensis. Schopnosť syntetizovať magnetozómy nie je fylogenetickou črtou, ich zástupcovia patria do rôznych fylogenetických skupín (obrázok 2). Na druhej strane, medzi jednou triedou a dokonca rodom sú obe MTB a nemagnetotaktické baktérie.

Magnetozómy, tieto jedinečné organely, obsahujú kryštály zlúčenín železa vo veľkosti niekoľkých nanometrov. Kryštály môžu pozostávať z magnetitu Fe3O4 alebo gregit Fe3S4, Veľkosť magnetozómov je približne 35-120 nm a tvar, veľkosť a vnútrobunková organizácia sú veľmi rozdielne (obrázok 3).

Obr. 2. Hlavné fylogenetické skupiny, medzi ktorými boli objavené magnetotaktické baktérie a niektorí ich zástupcovia. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Obr. 3. Formy magnetozómov: a – kubokratická; bv – predĺžená prizma; g – zub; d – guľka. obrázok: Príroda Recenzia Mikrobiológia, 2016, 14, 621-637.

Magnezómová biomineralizácia

V súčasnosti bolo identifikovaných viac ako 40 génov, ktoré kódujú proteíny spojené so syntézou magnetozómov. Všetky gény zodpovedné za biomineralizáciu magnetozómov sa zhromažďujú na jednom mieste bakteriálneho chromozómu – v tzv. Magnetozómovom genomickom ostrove (MAI). Skladá sa z niekoľkých operónov. (Operón je súčasťou chromozómu so súborom génov, ktorých produkty poskytujú špecifickú bunkovú funkciu, napríklad transport a asimiláciu určitej látky, takže je logické aktivovať všetky tieto gény súčasne.) Existuje súbor konzervatívnych génov nájdených vo všetkých MTB: MAMA, MAMBA, mame, mamD, mame, mamkou, Mamo, Mampu, mamQ.

Obr. 4. Schéma štruktúry magnetozómu. Obrázok: 2015.igem.org

Magnetický kryštál obklopuje membránu.Vzniká z invaginácie cytoplazmatickej membrány bunky a pozostáva z lipidovej dvojvrstvy s hrúbkou 3 až 4 nm, v ktorej sú vložené špecifické proteíny, ktoré sú zodpovedné za syntézu magnetozómov (obrázok 4). Preto sa najprv vytvárajú bubliny magnetozómov (vezikuly), potom sa v nich nahromadí železo.

Po tom, ako sa železo bezpečne dodá do magnetozomálneho vezikula, začne nasledujúci stupeň – nukleácia alebo nukleácia kryštálov, ktorá je regulovaná MTB-špecifickými proteínmi. Sú umiestnené na povrchu magnetozómovej membrány a vo vnútri vezikúl. Kryštály v zrelých magnetozómoch sú podobné veľkosti a tvaru.

Pomocou špeciálneho proteínu MamJ sú vezikuly pripojené k paralelným cytoskeletálnym vláknam (obrázok 5). Tieto vlákna sú tvorené proteínom MamK.

Obr. 5. Etapy tvorby magnetozómového reťazca: a – bunka bez magnetozómov; b – magnetozómové vezikuly (zobrazené kruhy); v – prepravu železa do vezikúl; g – montáž reťazca magnetozómov (hviezdička – MamJ; bodkovaná čiara – vlákna MamK); d – bunkové delenie, magnetické sily sa znižujú, keď sú bunky ohnuté a jednosmerné prehĺbenie bunkovej steny; e – reťazce magnetozómov sa pohybujú do stredu bunky pozdĺž reťazca MamK. obrázok: Príroda Recenzia Mikrobiológia, 2016, 14, 621-637.

navigácia

Každý magnetozóm má magnetický moment a je magnet so severnými a južnými pólmi. Čím dlhší je magnetozómový reťazec, tým väčší je magnetický moment a tým je silnejší magnet. Tieto reťazce sú bunkové senzory, ktoré zisťujú smer a gradienty magnetických polí.

Tak prečo to vyžadujú baktérie?

Hlavná hypotéza súvisí s hľadaním priaznivých podmienok. Nesprávne sme spomenuli, že MTB je mikroaerofilná alebo anaeróbna: nemajú radi nadbytočný kyslík. Optimálne parametre sú často v oblasti spodných sedimentov, kde dochádza k prechodu medzi zónami bez obsahu kyslíka a kyslíka. Pomocou magnetozómov ako miniatúrneho zabudovaného kompasu sa orientujú pozdĺž línie magnetického poľa a pohybujú sa pomocou flagelly a menia hĺbku ponoru. Magnetické čiary na väčšine častí zemegule (s výnimkou rovníkovej zóny) smerujú pod uhlom k povrchu, takže pohyb pozdĺž nich bude nevyhnutne viesť k dnu. Okrem toho sú baktérie orientované na aerotaktické signály – zmenu koncentrácie kyslíka, tento typ pohybu sa nazýva magnetotaxis alebo magnetoaerotaxis (obrázok 6).

Obr. 6. Magnetická aerotexia.V severnej pologuli MTB ašpirovať na magnetickej juhu a zavolal na sever-hľadať, na južnej pologuli – juho-seeking

Samozrejme, že mechanizmus vnímanie MTB magnetického poľa je oveľa zložitejšie ako jednoduché orientáciu siločiar. Kmeňové štúdie Magnetospirillum magneticum AMB-1 ukázali, že baktérie môžu byť tiež orientované vzhľadom na gradienty magnetického poľa vychádzajúce z rôznych predmetov, či už normálny alebo dolnej magnetov magnetického ložiska (ISMEA J., 2015 9 (6), 1399-1409). Táto citlivosť sa môže poskytnúť ochranu buniek zo zdrojov magnet magnetického poľa v ich biotopov. Napríklad, keď sa baktérie byť blízko magnetitu zhlukov vytvorených počas odumieranie iných podobných baktérií, je pravdepodobné, že sa bude držať toto miesto magnetosome vlastné, ak čas dať do pohybu v opačnom smere.

A vyjadril názor, že magnetosomes môže hrať úlohu buniek nesúvisí s orientačné. Je nepravdepodobné, že plní funkciu ukladania železa: magnetosomes sú prítomné v bunkách aj s deficitom tohto prvku v životnom prostredí. Špekuluje sa, že magnetosome biomineralizace môže byť súčasťou starovekej dráhy,v ktorom magnetozómy zohrali úlohu ukladania iónov železa, používaných ako akceptory alebo donory elektrónov v procesoch bunkovej energie (Správy o environmentálnej mikrobiológii, 2017). Táto verzia však stále vyžaduje experimentálne potvrdenie.

Biotechnologické využitie magnetozómov

Umelé nanočastice s konštantným alebo indukovaným magnetickým momentom sa teraz používajú v rôznych odvetviach: od komerčných súprav na izoláciu biomolekúl na lieky. Na lekárske účely sa zvyčajne používajú kapsuly alebo bioinertné matrice organických zlúčenín. Pod vplyvom magnetického poľa sa pohybujú okolo tela a vykonávajú rôzne funkcie.: viazať sa na bunky, dodávať lieky atď.

Sú magnetické nanočastice pre telo bezpečné? Hoci väčšina zložiek živých organizmov je slabo diamagnetická, zistilo sa, že niektoré organizmy nesú paramagnetické častice (zvyčajne magnetit). Napríklad magnetitové kryštály sú prítomné v tele vtákov, niektorých hmyzu a dokonca aj v ľudskom mozgu. Podľa jednej teórie sa používajú na orientáciu v magnetickom poli Zeme.

Umelé magnetické nanočastice (IMN) vykazujú signifikantne väčšiu cytotoxicitu a genotoxicitu v porovnaní s magnetozómami a pravdepodobnosť nekrózy tkaniva pri použití je oveľa vyššia. Preto čínski vedci uskutočnili experiment, v ktorom boli injikované IMN alebo magnetozómy do bunkovej kultúry pigmentového epitelu ľudskej sietnice (Vedecké správy, 2016, 6, 2696). Bunky ošetrené magnetozómami udržiavali normálnu morfológiu, zatiaľ čo bunky s IMN boli zničené. Obaja magnetozómy a IMN majú genotoxicitu. Avšak poškodenie spôsobené IMN bolo významné a viedlo k sebestačnosti buniek (apoptóza), zatiaľ čo u buniek liečených magnetozómami bola apoptóza všeobecne potlačená.

Je pravdepodobné, že biokompatibilita poskytuje jedinečné vlastnosti magnetozómov: fosfolipidová škrupina, vysoká kryštalinita a chemická čistota, silná magnetizácia, rovnomerné rozloženie tvaru a veľkosti. Predpokladá sa, že budú schopné úplne nahradiť umelé magnetické nanočastice.

Zvážte niektoré aspekty použitia magnetozómov.

Modifikácia membrány

Obr. 7. Zavedenie rôznych funkčných skupín do membrány magnetozómov: a – imobilizácia enzýmov a fluoroforových značiek (napríklad zelený fluorescenčný proteín); b – použitie hybridných proteínov (získaných expresiou niekoľkých "zosieťovaných" génov, ktoré pôvodne kódovali jednotlivé proteíny) a streptavidínových značiek na ukotvenie biomolekúl (DNA alebo protilátok) značených biotínom; v – tvorba komplexov so zlatými časticami alebo kvantovými bodmi pomocou DNA linkerov; g – použitie modifikovaných proteínov magnetozómovej membrány a imunoglobulín viažucich proteínov. MM – magnetozómová membrána, MMP – magnetozomálne proteíny, SAV – streptavidín

Magnetozómová membrána, podobná membránam buniek a organel, je prirodzeným nosičom mnohých signalizačných molekúl. Metódy génového inžinierstva umožňujú vytvárať magnetozómy s modifikovanou membránou, napríklad s integrovanými proteínmi (obrázok 7). Takto sa bakteriálne magnetozómy použili na imobilizáciu dvoch enzýmov, glukózooxidázy a urázy, ktoré vykazovali 40-násobne vyššiu aktivitu než keď boli imobilizované na umelých magnetických časticiachAplikovaná mikrobiológia a biotechnológia, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetozómy s protilátkami imobilizovanými na povrchu môžu byť použité na enzýmové imunoanalýzy vrátane detekcie alergénov a buniek epiteliálneho karcinómu. Ak sú magnetozómy potiahnuté protilátkami špecifickými pre určité bunky, môžu byť tieto bunky izolované priamo z biologických tekutín: magnetický štítok ich umožňuje ľahko zostaviť.

Riadené dodávanie liekov

Existujú pokusy, pri ktorých je liek dodávaný do nádoru nie prostredníctvom magnetozómov, ale prostredníctvom celých MTB buniek (Prírodná nanotechnológia, 2016, 11, 941-947). Na napätie buniek Magnetococcus marinus MC-1 viazala asi 70 nanolipozómov nanesených na liečivo a zaviedla tieto baktérie do imunodeficientných myší, ktoré boli vakcinované nádormi. Pod magnetickou kontrolou až do 55% buniek MC-1 preniklo do nádoru. V tomto prípade je tiež pozoruhodné, že nedostatok kyslíka – kyslíka – je charakteristický pre nádorové tkanivá, a preto použitie mikroorganizmov s magneto-aerotaktickým správaním môže robiť terapiu omnoho účinnejšou.

Dodávanie génov

Atraktívny moderný prístup k dosiahnutiu antigén-špecifickej imunity – takzvané DNA vakcíny: DNA so špecifickými génmi sa zavádza do tela, ktorého produkty spôsobujú obranné reakcie tela.V súčasnosti však neexistuje jednoduchý a účinný systém na dodávanie DNA vakcín do antigén prezentujúcich buniek. Magnetozómy sú dobrým uchádzačom o túto úlohu. Napríklad pokusy boli uskutočnené na myšiach, v ktorých DNA vakcína na báze magnetozómov zvýšila systémovú imunitnú odpoveď proti nádorom a neboli pozorované žiadne toxické účinky (Génová terapia, 2012, 19(12), 1187-1195).

Zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie

Vďaka magnetozómom sa očakáva revolúcia v diagnostike a liečbe mnohých ochorení. Magnetická rezonancia (MRI) je vizualizačná metóda založená na princípoch nukleárnej magnetickej rezonancie, využíva sa predovšetkým na získanie vysokokvalitných obrazov vnútorných orgánov. Pri hypersenzitívnej magnetickej rezonancii sa bežne používajú kontrastné látky, ktoré zvyšujú presnosť obrazu – napríklad magnetické nanočastice s rovnakou veľkosťou a tvarom.

Kontrastná účinnosť magnetozómov sa študovala pri vizualizácii cievnej siete myšieho mozgu (obrázok 8). Dokonca aj malá dávka z nich umožnila získať dobrý obraz. Pre porovnanie sme zvolili dva druhy kontrastných látok (umelé magnetické nanočastice oxidu železa, magnetozóm) a soľný roztok ako kontrolu.Najväčšia magnetická aktivita bola pozorovaná u magnetozómov, angiogramy boli viditeľné (Pokročilé zdravotnícke potreby, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Obr. 8. 3D angiogramy myšieho mozgu po injekcii klinickej dávky kontrastného činidla: a – 100 μl fyziologického roztoku; b – 100 μl oxidu železa, 20 μmol / kg; v – 100 μl magnetozómov MV-1, 20 μmol / kg

hypertermia

Magnetická kvapalinová hypertermia (MZHG) je injekcia kvapaliny obsahujúcej magnetozómy priamo do nádoru a potom generovanie striedavého magnetického poľa okolo neho. V tomto prípade je nádor zničený teplom rozptyľovaným magnetickými nanočasticami a zdravé tkanivá sa nezohrievajú. V experimente ukázali magnetozómy vyššiu protinádorovú účinnosť (s úplným zmiznutím nádoru) v porovnaní s chemicky syntetizovaným oxidom železa a miera prežitia myší bola významne vyššia (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritické preskúmanie v biotechnológii, 2016; 36(5), 788-802).

Nielen prírodné vedy

Magnetozómy sa tiež stali predmetom záujmu geológov, paleontológov a astrobiológov. Faktom je, že pri absencii iných zdrojov môžu byť magnetozómy takmer jedinými nosičmi reziduálnej magnetickej indukcie. Pomocou izotopovej analýzy a iných metód možno posúdiť vek sedimentov obsahujúcich magnetozómy aVyskytli sa v tom čase zmeny v magnetickom poli Zeme? A nakoniec – o zmene stožiarov, histórii ich pôvodu, pohybe tektonických dosiek a mnohých ďalších veciach (Pokroky v aplikovanej mikrobiológii, 2007, 62, 21-62).

Magnetozómy sa teda používajú v rôznych oblastiach vedy a techniky. Metódy pestovania magnetotaktických baktérií sa rýchlo rozvíjajú, produktivita kmeňov sa neustále zvyšuje. Možno, že v najbližších desaťročiach sa bakteriálne "nanokompasy" stanú dôležitým biotechnologickým produktom spolu s lekárskymi izotopmi a fluorescenčnými proteínmi.

literatúra
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekológia, rozmanitosť a vývoj magnetotaktických baktérií // Mikrobiológia a recenzie molekulárnej biológie, 2013, 77, 3, 497 – 526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktické baktérie, magnetozómy a ich aplikácia // Mikrobiologický výskum, 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakteriálny magnetozóm: jedinečná prokaryotická organizácia // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 2013, 23, 63 – 80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetozómová biogenéza v magnetotaktických baktériách // Mikrobiológia prírody, 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktické baktérie: nanorodiče budúcnosti // Kritické recenzie v biotechnológii, 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

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