Življeni magneti

Življeni magneti

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Kemija in življenje" št. 4, 2018

Obstajajo mikroorganizmi, ki se lahko orientirajo v magnetnem polju – magnetotaktične bakterije. jim pomagajo pri tej magnetosomes – nanovelikosti paramagnetni delci oblečeni lipidnih membran. Vendar ne potrebujejo le bakterije magnetozomov. To je njihov izum, skupaj z antibiotiki in posebno CRISPR sistemom za rezanje DNA, voljno izposojanje ljudi.

MTB: kdo so?

Železo je eden od najbolj dostopnih kemičnih elementov na planetu in eden najpomembnejših za žive organizme. Biogeokemijska cirkulacija železa vključuje dve glavni reakciji – redukcija in oksidacija, to je interkonverzija trivalentnega in bivalentnega železa (Fe3+ ↔ Fe2+).

Želez je del encimov in nosilcev elektronov, ki sodelujejo v metabolnih procesih, vključno s temeljnimi, kot so fotosinteza, dihanje itd. Mikroorganizmi uporabljajo različne oblike železa v energetskih procesih – kot elektronski donatorji ali akceptorji.

Vendar pa so nekatere bakterije našle še eno uporabo za ta element. Proizvajajo magnetozome – magnetne kristale, prekrite z membrano in delujejo kot navigacijske naprave.Takšne bakterije imenujemo magnetotaktične. Prvič v revidirani reviji je mikrobiolog iz Inštituta za oceanografijo Woods-Hole Richard Blackmore opisal leta 1975. Magnetotaktične bakterije (MTB) živijo v vodnih ekosistemih in se lahko premikajo vzdolž magnetnih polj. Vsi so mikroaerofili ali anaerobi, to je, za življenje, raje razmere z malo ali nič vsebnosti kisika.

Sl. 1. Različna morfologija MTB: a – vibrio; b, g – palice; v – cocci; d – spirila; e – "večcelične" bakterije. Slika: Mikrobiološke raziskave, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologija teh bakterij je lahko drugačna – med njimi spirillis, kokci, palice, vibrios (slika 1). Obstajajo tudi magnetotaktične "večcelične" bakterije – celični agregati, na primer Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale in Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Sposobnost sintetiziranja magnetozomov ni filogenetska lastnost, njihovi predstavniki pripadajo različnim filogenetskim skupinam (slika 2). Po drugi strani pa med enim razredom in celo rodu obstajajo MTB in nemagnetnoaktične bakterije.

Magnetosomi, ti edinstveni organeli, vsebujejo kristale spojin železa v velikosti več nanometrov. Kristali so lahko sestavljeni iz magnetita Fe3O4 ali greigit Fe3S4. Velikost magnetozomov je približno 35-120 nm, oblika, velikost in intracelularna organizacija pa sta zelo raznolika (slika 3).

Sl. 2 Glavne filogenetske skupine, med katerimi so bile odkrite magnetotaktične bakterije in nekateri njihovi predstavniki. Časopis za molekularno mikrobiologijo in biotehnologijo. 2013, 23(1-2): 63-80.

Sl. 3 Oblike magnetozomov: a – cuboctahedral; bv – podolgovata prizmatična; g – zob; d – bullet. Slika: Narava Mnenja Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

Magnetosomna biomineralizacija

Trenutno je bilo ugotovljenih več kot 40 genov, ki kodirajo proteine, povezane s sintezo magnetozomov. Vsi geni, odgovorni za biomineralizacijo magnetozomov, se zbirajo na enem mestu bakterijskega kromosoma – na tako imenovanem magnetozomskem genomskem otoku (MAI). Sestavljen je iz več operonov. (Operon je del kromosoma z množico genov, katerih izdelki zagotavljajo specifično celično funkcijo, na primer transport in asimilacijo določene snovi, zato je logično, da vse iste gene aktivirajo istočasno.) Na vseh MTB je na voljo vrsta konzervativnih genov: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Sl. 4 Diagram strukture magnetozoma. Slika: 2015.igem.org

Magnetni kristal obkroža membrano.Nastaja iz invaginacije citoplazemske membrane celice in je sestavljen iz lipidnega dvosloja 3-4 nm debeline, v kateri so vstavljeni specifični proteini, ki so odgovorni za sintezo magnetozomov (slika 4). Tako se najprej tvorijo magnetosomni mehurčki (mehurčki), nato se v njih nabira železo.

Po tem, ko je železo varno dostavljeno v magnetosomsko veziklo, se začne naslednja faza – nukleacija ali nukleacija kristalov, ki je urejena z MTB specifičnimi proteini. Nahajajo se na površini magnetosomske membrane in v notranjosti vezikla. Kristali v zrelih magnetozomih so podobni po velikosti in obliki.

Z uporabo posebnega MamJ proteina se veziki povezujejo z vzporednimi citoskeletnimi filamenti (slika 5). Te niti so oblikovane s proteinom MamK.

Sl. 5 Faze tvorbe magnetosomske verige: a – celica brez magnetozomov; b – magnetosomske vezikle (prikazano na sl vrči); v – prevoz železa v mehurčke; g – montaža magnetosomske verige (zvezdico – MamJ; pikčasto črto – teme MamK); d – celična delitev, magnetne sile se zmanjšajo, ko so celice ukrivljene in enosmerno poglobitev celične stene; e – verige magnetozomov se premaknejo v središče celice vzdolž niza MamK. Slika: Narava Mnenja Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

Navigacija

Vsak magnetozom ima magnetni moment in je magnet s severnim in južnim polom. Daljša veriga magnetosoma, večji je magnetni moment in s tem močnejši magnet. Te verige so celični senzorji, ki zaznavajo smer in gradiente magnetnih polj.

Zakaj jo potrebujejo bakterije?

Glavna hipoteza je povezana z iskanjem ugodnih pogojev. Nismo včasih omenili, da je MTB mikroerofilna ali anaerobna: ne marajo preveč kisika. Optimalni parametri za njih so pogosto na področju spodnjih sedimentov, kjer je prehod med kisikom in območji brez kisika. Uporaba magnetozomov kot miniaturni vgrajeni kompas se usmerijo vzdolž linij magnetnega polja in se premikajo s pomočjo flagella, ki spreminja globino potopa. Magnetne črte na večjem delu sveta (razen ekvatorialne cone) so usmerjene pod kotom na površino, tako da gibanje vzdolž njih nujno vodi do dna. Poleg tega so bakterije usmerjene proti aerotaktičnim signalom – sprememba koncentracije kisika. Ta tip gibanja se imenuje magnetotaks ali magnetoerotaksis (slika 6).

Sl. 6 Magnetna aerotexis.Na severni polobli MTB nagiba na magnetni jug in se imenuje iskalec severa, na južni polobli – južni prosilec

Seveda je mehanizem zaznavanja magnetnega polja MTB veliko bolj zapleten od preproste orientacije vzdolž sile. Študije vnetja Magnetospirillum magneticum AMB-1 je pokazal, da so lahko bakterije usmerjene glede na gradiente magnetnih polj, ki izvirajo iz različnih predmetov, bodisi rednega magneta ali dna magnetnih nanosov (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Takšna občutljivost lahko zaščiti celice pred magnetizacijo na vire magnetnega polja v njihovih habitatih. Na primer, če se bakterija izkaže, da je blizu grozdov magnetita, nastalega med izumrtjem drugih podobnih bakterij, je verjetno, da bodo njegovi magnetosomi ohranili na tem mestu, če se ne začne premikati v nasprotni smeri v času.

Izraženo je mnenje, da imajo lahko magnetosomi v celicah, ki niso povezane z orientacijo, drugačno vlogo. Malo verjetno je, da opravljajo funkcijo shranjevanja železa: v celicah so prisotni magnetozomi, tudi z pomanjkanjem tega elementa v okolju. Ugotovljeno je bilo, da je biomineralizacija magnetozomov lahko del starodavne metabolične poti,v katerih so magnetosomi igrali vlogo shranjevanja železovih ionov, ki se uporabljajo kot akceptorji ali elektronski dajalci v celičnih energetskih procesih (Okoljska mikrobiološka poročila, 2017). Vendar pa ta različica še vedno potrebuje eksperimentalno potrditev.

Biotehnološka uporaba magnetozomov

Umetne nanodelce s konstantnim ali induciranim magnetnim momentom se zdaj uporabljajo v različnih panogah: od komercialnih kompleti za izolacijo biomolekul do medicinskih zdravil. Za medicinsko uporabo se navadno dajejo na kapsule ali bioinertne matrike organskih spojin. Pod vplivom magnetnega polja se gibljejo po telesu in opravljajo različne funkcije.: se vežejo na celice, dajo droge itd.

Ali so magnetni nanodelci varni za telo? Čeprav je večina sestavin živih organizmov šibko diamagnetna, je bilo ugotovljeno, da nekateri organizmi nosijo paramagnetne delce (ponavadi magnetit). Na primer, kristali magnetita so prisotni v telesu ptic, nekaterih žuželk in celo v človeških možganih. Po eni teoriji se uporabljajo za orientacijo v magnetnem polju Zemlje.

Umetni magnetni nanodelci (IMN) kažejo znatno večjo citotoksičnost in genotoksičnost v primerjavi z magnetozomi, verjetnost tkivne nekroze pa je znatno višja. Tako so kitajski raziskovalci izvedli poskus, v katerem so bili IMN ali magnetozomi injicirani v celično kulturo pigmentnega epitelija človeške mrežnice (Znanstvena poročila, 2016, 6, 2696). Celice, obdelane z magnetozomi, so ohranile normalno morfologijo, celice z IMN pa so bile uničene. Obe magnetozomi in IMN sta genotoksičnost. Škoda, ki jo je povzročil IMN, je bila pomembna in je povzročila celično samouničenje (apoptoza), medtem ko je bila v celicah, zdravljenih z magnetozomoma, apoptoza na splošno zatreti.

Verjetno biokompatibilnost zagotavlja edinstvene lastnosti magnetozomov: fosfolipidna lupina, visoka kristaliničnost in kemična čistost, močna magnetizacija, enakomerna porazdelitev oblike in velikosti. Predpostavlja se, da bodo lahko popolnoma nadomestili umetne magnetne nanodelce.

Razmislite o nekaterih vidikih uporabe magnetozomov.

Sprememba membrane

Sl. 7 Uvajanje različnih funkcionalnih skupin v membrano magnetozomov: a – imobilizacija encimov in fluorfornih etiket (npr. zeleni fluorescentni proteini); b – uporaba hibridnih beljakovin (pridobljenih z izrazom "prečno povezani" geni, ki so izvorno kodirali posamezne proteine) in etikete streptavidina za sidranje biomolekul (DNA ali protiteles), označenih z biotinom; v – nastanek kompleksov z zlatimi delci ali kvantnimi pikami z uporabo DNA linkerjev; g – uporaba modificiranih magnetosomskih membranskih proteinov in proteinov, ki vežejo imunoglobulin. MM – magnetozomska membrana, Mmp – magnetosomske beljakovine, SAV – streptavidin

Magnetosomska membrana, podobna membranam celic in organelov, je naravni nosilec za mnoge signalne molekule. Metode genskega inženiringa vam omogočajo ustvarjanje magnetozomov s spremenjeno membrano, na primer z integriranimi proteini (slika 7). Tako so bili uporabljeni bakterijski magnetozomi za imobilizacijo dveh encimov, glukooksidaze in uricaze, ki so pokazali 40-krat večjo aktivnost kot pri imobilizaciji umetnih magnetnih delcev (Uporabna mikrobiologija in biotehnologija, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetozomi s protitelesi, imobilizirani na površini, se lahko uporabljajo za encimske imunske teste, vključno z odkrivanjem alergenov in epitelijskih karcinoma. Če so magnetozomi prevlečeni s protitelesi, ki so specifični za določene celice, se lahko te celice izolirajo neposredno iz bioloških tekočin: magnetna oznaka jih naredi enostavno sestaviti.

Usmerjena dostava zdravila

Obstajajo poskusi, v katerih se zdravilo dostavi v tumor, ne z magnetozomi, ampak s celimi MTB celicami (Naravna nanotehnologija, 2016, 11, 941-947). Za sevanje celic Magnetococcus marinus MC-1 je pritrdil okoli 70 nanolipozomov, ki jih je nalagal drog, in jih je vnesel v imunsko neopredeljene miši, pri katerih so bili inokulirani tumorji. Pod magnetnim nadzorom je do tumorja prišlo do 55% celic MC-1. V tem primeru velja tudi, da je pomanjkanje hipoksije in kisika značilno za tumorska tkiva, zato lahko uporaba mikroorganizmov, ki kažejo magneto-aerotaktično vedenje, naredi terapijo veliko bolj učinkovito.

Dostava genov

Privlačen sodoben pristop za doseganje antigensko specifične imunosti – tako imenovana vakcina DNA: DNK s specifičnimi geni se vnaša v telo, katerih produkti povzročajo zaščitne reakcije telesa.Vendar pa trenutno ni enostavnega in učinkovitega sistema za dostavo cepiv DNK v celice, ki predstavljajo antigene. Magnetozomi so dober kandidat za to vlogo. Na primer, poskusi so bili opravljeni na miših, pri katerih je magnetosomsko DNA-cepivo povečalo sistemski imunski odziv na tumorje in niso opazili toksičnih učinkov (Genska terapija, 2012, 19(12), 1187-1195).

Slikanje z magnetno resonanco

Zaradi magnetozomov se pričakuje revolucija pri diagnostiki in zdravljenju številnih bolezni. Magnetna resonanca (MRI) je metoda slikanja, ki temelji na principih jedrske magnetne resonance, se uporablja predvsem za pridobivanje visokokakovostnih slik notranjih organov. Pri preobčutljivi MRI se običajno uporabljajo kontrastna sredstva, ki naredijo bolj natančno sliko – na primer magnetne nanodelce z enotno velikostjo in obliko.

Kontrastno učinkovitost magnetozomov smo proučevali pri vizualizaciji vaskularnega omrežja možganskih mišic (slika 8). Celo majhen odmerek je omogočil dobro sliko. Za primerjavo smo izbrali dve vrsti kontrastnih sredstev (umetnih magnetnih nanodelcev železovega oksida, magnetozoma) in fiziološko raztopino kot kontrolo.Največja magnetna aktivnost je bila opazna pri magnetozomih, zato so bili angiogrami bolj vidni (Napredne zdravstvene potrebščine, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Sl. 8 3D-angiogrami mišjega možganja po injiciranju kliničnega odmerka kontrastnega sredstva: a – 100 μl slanice; b – 100 μl železovega oksida, 20 μmol / kg; v – 100 μl magnetozomov MV-1, 20 μmol / kg

Hipertermija

Magnetna tekoča hipertermija (MZHG) je vbrizgavanje tekočine, ki vsebuje magnetozome neposredno v tumor, in nato generiranje izmeničnega magnetnega polja okoli njega. V tem primeru je tumor uničen zaradi toplote, ki jo razpršijo magnetni nanodelci, zdrava tkiva pa se ne segrejejo. V eksperimentu so magnetozomi pokazali večjo protitumorsko učinkovitost (s popolnim izginotjem tumorja) v primerjavi s kemično sintetiziranim železovim oksidom, hitrost preživetja miši pa je bila znatno višja (Theranostiki, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritični pregled v biotehnologiji, 2016; 36(5), 788-802).

Ne samo življenjske znanosti

Magnetozomi so postali predmet zanimanja geologov, paleontologov in astrobiologov. Dejstvo je, da so v odsotnosti drugih virov magnetozomi skoraj edini nosilci preostale magnetne indukcije. Z uporabo izotopske analize in drugih metod je mogoče oceniti starost usedlin, ki vsebujejo magnetozome, inAli so se v tem času pojavile spremembe v zemeljskem magnetnem polju? In na koncu – o spremembi polov, zgodovini njihovega izvora, gibanju tektonskih plošč in mnogih drugih stvareh (Napredek pri uporabi mikrobiologije, 2007, 62, 21-62).

Tako se magnetozomi uporabljajo na različnih področjih znanosti in tehnologije. Metode gojenja magnetotaktičnih bakterij se hitro razvijajo, produktivnost sevov nenehno narašča. Morda bodo v naslednjih nekaj desetletjih bakterijski "nanokompaniji" postali pomemben biotehnološki proizvod skupaj z medicinskimi izotopi in fluorescentnimi proteini.

Literatura
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologija, raznolikost in evolucija magnetotaktičnih bakterij // Mikrobiologija in Molekularna biologija Pregledi. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktične bakterije, magnetozomi in njihova uporaba // Mikrobiološke raziskave. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakterijski magnetozom: edinstven prokariotski organelel // Časopis za molekularno mikrobiologijo in biotehnologijo. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosomna biogeneza v magnetotaktičnih bakterijah // Narava pregled mikrobiologija. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktične bakterije: nanodrivers prihodnosti // Kritični pregledi v biotehnologiji. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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