Dzīvojamie magnēti

Dzīvojamie magnēti

Lolita Alekseeva, Veronika Kozjeva
"Ķīmija un dzīve" №4, 2018

Ir mikroorganismi, kas spēj orientēties magnētiskajā laukā – magnetotakstiskās baktērijas. Magnetosaomas viņiem palīdz – nanoskaļās paramagnētiskas daļiņas, kas apvalkotas kā lipīdu membrāna. Bet ne tikai baktērijām ir vajadzīgi magnetozomi. Šo izgudrojumu, kā arī antibiotikas un CRISPR sistēmu specifiskai DNS griešanai, cilvēki ir viegli aizņemti.

MTB: kas viņi ir?

Dzelzs ir viens no visvairāk pieejamiem ķīmiskajiem elementiem uz planētas un viens no svarīgākajiem dzīviem organismiem. Dzelzs biogēzeķīmiskā cirkulācija ietver divas galvenās reakcijas – reducēšanu un oksidēšanu, proti, trivalentu un divvērtīga dzelzs (Fe3+ ↔ Fe2+).

Dzelzs ir daļa no enzīmiem un elektronu nesējiem, kas iesaistīti vielmaiņas procesos, tostarp tādi fundamentāli kā fotosintēze, elpošana utt. Mikroorganismi izmanto dažādas dzelzs formas enerģijas procesos – kā elektronu donorus vai akceptorus.

Tomēr dažām baktērijām ir atrasts vēl viens lietojums šim elementam. Tie ražo magnetosomas – magnētiskos kristālus, kas pārklāti ar membrānu un darbojas kā navigācijas ierīces.Šādas baktērijas sauc par magnetotakstisko. Pirmo reizi repertuārā žurnālā mikrobiologs no Woods-Hole Okeanogrāfijas institūta Richard Blackmore aprakstīja tos 1975. gadā. Magnetotaksiskās baktērijas (MTB) dzīvo ūdens ekosistēmās un var pārvietoties pa magnētisko lauku līnijām. Visi no tiem ir mikroaerofīļi vai anaerobi, tas ir, dzīvē tie dod priekšroku apstākļiem ar nelielu skābekļa saturu vai bez tā.

Zīm. 1 Daudzveidīga MTB morfoloģija: a – vibrio; b, g – spieķi; in – koki; d – spirilija; e – "daudzšūnu" baktērijas. Attēls: Mikrobioloģiskie pētījumi, 2012, 167(9): 507-519.

Šo baktēriju morfoloģija var būt atšķirīga – starp tām ir spirilijs, koki, spieķi, vibrioni (1. att.). Piemēram, ir arī magnetotaksiskās "daudzšūnu" baktērijas – šūnu agregāti Kandidāti Magnetoglobus multicellularis, Ca Magnetomorum litorale un Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Spēja sintezēt magnetosomas nav filoģenētiska iezīme, to pārstāvji pieder pie dažādām phylogenetic grupām (2. att.). No otras puses, vienas klases un pat ģints vidū ir gan MTB, gan ne-magnetotakstiskās baktērijas.

Magnetozomi, šie unikālie organelli, satur dzelzs savienojumu kristālus, kuru izmērs ir vairāki nanometri. Kristāli var sastāvēt no magnetita Fe3O4 vai Greigit Fe3S4. Magnetosomu lielums ir aptuveni 35-120 nm, un forma, lielums un intracelulārā struktūra ir ļoti dažādi (3. att.).

Zīm. 2 Galvenās filoģenētiskās grupas, starp kurām tika atklāti magnetotakstiskās baktērijas un daži to pārstāvji. Molekulārās mikrobioloģijas un biotehnoloģijas žurnāls. 2013, 23(1-2): 63-80.

Zīm. 3 Magnetosomu formas: a – kubokteāģisks; bin – iegarena prizmatiska; g – zobs; d – bullet. Attēls: Dabas apskats Mikrobioloģija, 2016, 14, 621-637.

Magnetozomas biomineralizācija

Pašlaik ir identificēti vairāk nekā 40 gēni, kas kodē proteīnus, kas saistīti ar magnetosomu sintēzi. Visi gēni, kas ir atbildīgi par magnetosomu biomineralizāciju, tiek savākti vienā bakteriālās hromosomas vietā – tā dēvētajā magnetosomas genomu salā (MAI). Tas sastāv no vairākiem operoniem. (Operons ir daļa no hromosomas ar tādu gēnu komplektu, kuru produkti nodrošina specifisku šūnu funkciju, piemēram, transportēšana un kādas vielas asimilācija, tāpēc ir loģiski, ka visi šie gēni vienlaicīgi jāaktivizē.) Visā MTB ir atrodams konservatīvu gēnu komplekts: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Zīm. 4 Magnetosomas struktūras diagramma. Attēls: 2015.igem.org

Membrāna ieskauj magnētiskais kristāls.Tas veidojas no šūnas citoplazmatiskās membrānas invaginācijas un sastāv no lipīdu blistera 3-4 nm bieza, kurā tiek ievietoti specifiski proteīni, kas ir atbildīgi par magnetosomu sintēzi (4. att.). Tādējādi magnetozu burbuļi (pūslīši) vispirms tiek veidoti, pēc tam dzelzs uzkrājas to iekšpusē.

Pēc tam, kad dzelzs tiek droši nogādāts magnetosomālas pūslītis, sākas nākamais posms – kristālu veidošanās vai kumulācijas radīšana, ko regulē MTB specifiskās olbaltumvielas. Tie atrodas magnētiskās membrānas virspusē un pūslīša iekšpusē. Pieaugušajiem magnetozomiem kristāli ir līdzīgi pēc izmēra un formas.

Izmantojot īpašu MamJ olbaltumvielu, pīķveidīgie tiek piestiprināti pie paralēlām citoslēkta pavedieniem (5. attēls). Šos pavedienus veido MamK proteīns.

Zīm. 5 Magnetosomu ķēdes veidošanās posmi: a – šūna bez magnetosomām; b – magnetozomas pūslīši (parādīts krūzes); in – dzelzs transportēšana ar pūslīšiem; g – magnetosomu ķēdes montāža (zvaigznīte – MamJ; punktēta līnija – MamK pavedieni); d – šūnu dalīšana, magnētiskie spēki samazinās, kad šūnas ir saliektas un šūnu sienas ir virzītas vienvirzienā; e – magnetosomu ķēdes pāri MamK virknes šūnas centram. Attēls: Dabas apskats Mikrobioloģija, 2016, 14, 621-637.

Navigācija

Katram magnetozomam ir magnētiskais moments un tas ir magnēts ar ziemeļu un dienvidu poliem. Jo ilgāka ir magnetosoma ķēde, jo lielāks ir magnētiskais moments un attiecīgi spēcīgāks magnēts. Šīs ķēdes ir šūnu sensori, kas nosaka magnētisko lauku virzienu un gradientu.

Tātad, kāpēc baktērijām tas ir vajadzīgs?

Galvenā hipotēze ir saistīta ar labvēlīgu apstākļu meklējumiem. Mēs nejauši neminējām, ka MTB ir mikroaerofils vai anaerobs: viņiem nepatīk liekā skābekļa. Optimālie parametri tiem bieži atrodas apakšas nogulumos, kur notiek pāreja starp skābekļa un bezsvina zonām. Izmantojot magnetosomas kā minimālas iebūvētu kompasu, tās virzās pa magnētisko lauku līnijām un pārvietojas ar zvīņu palīdzību, mainot nirt dziļumu. Magnētiskās līnijas lielākajā daļā zemeslodes (izņemot ekvatorisko zonu) ir vērstas leņķī pret virsmu, tāpēc kustība pa tām noteikti radīs grunts. Turklāt baktērijas ir orientētas uz aerotaksijas signāliem – skābekļa koncentrācijas izmaiņām. Šāda veida kustību sauc par magnetotaksiju vai magnetoaerotaksiju (6. att.).

Zīm. 6 Magnētiskā aeroteksija.Ziemeļu puslodē MTB mēdz būt magnētisks uz dienvidiem un to sauc par ziemeļdaļu, dienvidu puslodē – dienvidu meklētājā

Protams, MTB magnētiskā lauka uztveres mehānisms ir daudz sarežģītāks nekā vienkārši orientācija pa spēka līnijām. Celma pētījumi Magnetospirillum magneticum AMB-1 parādīja, ka baktērijas var būt orientētas arī attiecībā uz magnētisko lauku gradientu, kas rodas no dažādiem objektiem, neatkarīgi no tā, vai tie ir regulāri magnēti vai grunts magnētiskie nogulumi (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Šāda jutība var aizsargāt šūnas no magnretizācijas līdz to dzīvotņu magnētiskā lauka avotiem. Piemēram, ja baktērija, šķiet, ir tuvu magnetita grupām, kas izveidojušās citu līdzīgu baktēriju izmiršanas laikā, visticamāk, ka tās pašas magnetozomas to saglabās šajā vietā, ja tas nesāks kustēties pretējā virzienā laikā.

Izteikti viedokļi, ka magnetosomām šūnās var būt atšķirīga loma, kas nav saistīta ar orientāciju. Maz ticams, ka tie pilda dzelzs uzglabāšanas funkcijas: šūnās ir magnētozes, pat ja šī elementa trūkums ir vidē. Ir ierosināts, ka magnetosomu biomineralizācija var būt daļa no senā metaboliskā ceļa,kur magnētozos spēlēja dzelzs jonu uzglabāšanas nozīme, ko izmanto kā akceptorus vai elektronu donorus šūnu enerģijas procesos (Vides mikrobioloģijas pārskati, 2017). Tomēr šai versijai joprojām ir nepieciešams eksperimentāls apstiprinājums.

Magnetosomu izmantošana biotehnoloģijā

Mākslīgās nanodaļiņas ar konstantu vai inducētu magnētisko momentu tagad izmanto dažādās nozarēs: no komerciāliem komplektiem biomolekulu izdalīšanai pret medicīnas zālēm. Medicīniskiem nolūkiem parasti tiek izmantoti organisko savienojumu kapsulās vai bioinertās matricās. Magnētiskā lauka ietekmē viņi pārvietojas pa ķermeni un veic dažādas funkcijas.: saistīt ar šūnām, piegādāt zāles utt.

Vai magnētiskās nanodaļiņas ir drošas ķermenim? Kaut arī lielākā daļa dzīvo organismu sastāvdaļu ir vāji diamagnētiski, tika konstatēts, ka dažos organismos ir paramagnētiskas daļiņas (parasti magnētiskais). Piemēram, magnetita kristāli atrodas putnu ķermenī, dažos kukaiņos un pat cilvēka smadzenēs. Saskaņā ar vienu teoriju, tos izmanto orientācijai Zemes magnētiskajā laukā.

Mākslīgās magnētiskās nanodaļiņas (IMN) demonstrē ievērojami lielāku citotoksicitāti un genotoksicitāti salīdzinājumā ar magnetoomiem, un audu nekrozes iespējamība, lietojot, ir daudz augstāka. Tādējādi Ķīnas pētnieki veica eksperimentu, kurā IMN vai magnetoomāmis tika injicēts cilvēka tīklenes pigmenta epitēlija šūnu kultūrā (Zinātniskie ziņojumi, 2016, 6, 2696). Ar magnetosomiem apstrādātās šūnas uztur normālu morfoloģiju, kamēr šūnas ar IMN tika iznīcinātas. Gan magnetosomām, gan IMN ir genotoksicitāte. Tomēr IMN izraisītie bojājumi bija nozīmīgi un izraisīja šūnu pašiznīcināšanos (apoptozi), savukārt ar magnetosomām apstrādātās šūnās apoptoze kopumā tika nomākta.

Iespējams, ka bioloģiskā saderība rada unikālas magnetozomu īpašības: fosfolipīdu čaulas, augsta kristālisma un ķīmiskās tīrības pakāpi, spēcīgu uzmundrināšanu, vienmērīgu formas un lieluma sadalījumu. Tiek pieņemts, ka viņi spēs pilnībā aizstāt mākslīgās magnētiskās nanodaļiņas.

Apsveriet dažus magnetosomu izmantošanas aspektus.

Membrānas modifikācija

Zīm. 7 Dažādu funkcionālo grupu ieviešana magnetosomu membrānā: a – fermentu un fluorofooru emblēmu (piemēram, zaļās fluorescējošās olbaltumvielas) imobilizācija; b – hibrīdu olbaltumvielu izmantošana (iegūta, izpaužot vairākus "savstarpēji saistītus" gēnus, kas sākotnēji kodē atsevišķus olbaltumvielas) un streptavidīna etiķetes, kas paredzētas biotīniem marķētu biomolekulu (DNS vai antivielu) piesaistīšanai; in – kompleksu veidošanos ar zelta daļiņām vai kvantu punktiem, izmantojot DNS linkerus; g – modificētu magnētozes membrānas proteīnu un imūnglobulīnu saistošo olbaltumvielu izmantošana. MM – magnetozomas membrāna, Mmp – magnetozomi proteīni, SAV – streptavidīns

Magnetozomas membrāna, kas līdzinās šūnu membrānām un organellām, ir dabisks nesējs daudzām signalizācijas molekulām. Gēnu inženierijas metodes ļauj veidot magnetosomas ar modificētu membrānu, piemēram, ar integrētiem proteīniem (7. att.). Tādējādi baktēriju magnetozomi tika izmantoti, lai imobilizētu divus enzīmus – glikoksidāzu un uricāzi, kas 40 reizes pārsniedza aktivitāti nekā imobilizējot uz mākslīgām magnētiskajām daļiņām (Lietišķā mikrobioloģija un biotehnoloģija, 1987, 26, 4, 328-332).

Fermentu imūnanalīzes, ieskaitot alergēnu un epitēlija karcinomas šūnu noteikšanu, var izmantot magnetozomus ar antivielām, kas imobilizētas uz virsmas. Ja magnetozomi ir pārklāti ar konkrētām šūnām specifiskām antivielām, šīs šūnas var izolēt tieši no bioloģiskajiem šķidrumiem: magnētiskais tags ļauj tās viegli montēt.

Direktora zāļu piegāde

Pastāv eksperimenti, kuros zāles tiek nogādātas audzējam nevis ar magnetoomiem, bet gan ar kopējām MTB šūnām (Dabas nanotehnoloģija, 2016, 11, 941-947). Celmēt šūnas Magnetococcus marinus MC-1 piesaistīja apmēram 70 zāļu pildītu nanoliposomu un šīs baktērijas ievadīja imunodeficītajām pelēm, kuras tika vakcinētas ar audzējiem. Saskaņā ar magnētisko kontroli, līdz pat 55% MC-1 šūnu iekļūda audzējā. Šajā gadījumā ir arī vērts atzīmēt, ka hipoksija – skābekļa trūkums ir raksturīga audzēja audiem, tādēļ mikroorganismu izmantošana ar magneto-aerotaksisko uzvedību var padarīt terapiju daudz efektīvāku.

Gēnu piegāde

Pievilcīga mūsdienīga pieeja, lai sasniegtu antigēnu specifisku imunitāti – tā sauktās DNS vakcīnas: organismā tiek ievadīta DNS ar specifiskiem gēniem, kuru produkti rada ķermeņa aizsardzības reakcijas.Tomēr patlaban nav vieglas un efektīvas sistēmas DNS vakcīnu piegādei antigēnu pārnešanas šūnās. Magnetosaomas ir labs pretendents uz šo lomu. Piemēram, tika veikti eksperimenti ar pelēm, kurās ar magnentomām balstīta DNS vakcīna palielināja sistēmisko imūnreakciju pret audzējiem, un netika novērota toksiska ietekme (Gēnu terapija, 2012, 19(12), 1187-1195).

Magnētiskās rezonanses attēlveidošana

Pateicoties magnetosomām, sagaidāms daudzu slimību diagnozes un ārstēšanas revolūcija. Magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) ir vizualizācijas metode, kuras pamatā ir kodolmagnētiskās rezonanses principi, to galvenokārt izmanto augstas kvalitātes iekšējo orgānu attēlu iegūšanai. Ja ir paaugstināta jutība MRI, parasti tiek izmantoti kontrastvielas, kas padara attēlu precīzāku – piemēram, magnētiskās nanodaļiņas ar vienādu izmēru un formu.

Magnetosomu kontrastējošā efektivitāte tika pētīta, vizualizējot peles smadzeņu asinsvadu tīklu (8. attēls). Pat neliela deva ļāva iegūt labu priekšstatu. Salīdzinājumam, mēs izvēlējāmies divu veidu kontrastvielas (mākslīgās magnētiskās nanodaļiņas ar dzelzs oksīdu, magnetozomu) un sāls šķīdumu kā kontroli.Vislielākā magnētiskā aktivitāte tika novērota magnetosomās, attiecīgi angiogrammas bija redzamākas (Uzlabotas veselības aprūpes preces, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Zīm. 8 Peles smadzeņu 3D angiogrammas pēc kontrastvielas klīniskās devas injekcijas: a – 100 μl fizioloģiskā šķīduma; b – 100 μl dzelzs oksīda, 20 μmol / kg; in – 100 μl magnetosomu MV-1, 20 μmol / kg

Hipertermija

Magnētiskās šķidrās hipertermijas (MZHG) ir šķidrumu saturošu magnētozīmu injekcija tieši audzējā, un pēc tam pārmaiņus esoša magnētiskā lauka radīšana ap to. Šajā gadījumā audzējs tiek iznīcināts ar magnētisko nanodaļiņu izdalīto siltumu, un veseli audi nesasilst. Eksperimentā magnetosomām bija lielāka pretvēža iedarbība (ar pilnīgu izzušanu no audzēja), salīdzinot ar ķīmiski sintezētu dzelzs oksīdu, un pelēm izdzīvošanas rādītājs bija ievērojami lielāks (Tetranostika, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritiskais pārskats biotehnoloģijā, 2016; 36(5), 788-802).

Ne tikai dabaszinātnes

Magnetosomas arī ir kļuvušas par ģeologu, paleontologu un astrobiologu interesējošo objektu. Fakts ir tāds, ka citu avotu neesamības gadījumā magnetosomas var būt gandrīz vienīgās magnētiskās indukcijas atlikušās nesēji. Izmantojot izotopu analīzi un citas metodes, var novērtēt nogulumu vecumu, kas satur magnētozes, unVai tajā laikā notikušas izmaiņas Zemes magnētiskajā laukā? Un galu galā – par polu maiņu, to izcelsmes vēsturi, tektonisko plākšņu kustību un daudzām citām lietām (Lietišķās mikrobioloģijas attīstība, 2007, 62, 21-62).

Tādējādi magnetosomas tiek izmantotas dažādās zinātnes un tehnoloģiju jomās. Magnetotakstisko baktēriju audzēšanas metodes strauji attīstās, celmu produktivitāte nepārtraukti pieaug. Varbūt nākamajās desmitgadēs baktēriju "nanocompasses" kļūs par nozīmīgu biotehnoloģijas produktu, kā arī medicīniskiem izotopiem un fluorescējošiem proteīniem.

Literatūra
1. C.T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekoloģija, daudzveidība un magnetotaksisko baktēriju evolūcija Mikrobioloģijas un molekulārās bioloģijas apskats. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaksiskās baktērijas, magnetozomi un to pielietojums Mikrobioloģiskie pētījumi. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakteriālais magnetozoms: unikāla prokariotu organella Molekulārās mikrobioloģijas un biotehnoloģijas žurnāls. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosomas biogēze magnetotaksiskajās baktērijās Dabas apskats Mikrobioloģija. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktiskās baktērijas: nākotnes nanodriveri // Kritiskās atsauksmes biotehnoloģijā. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Atbildēt

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