Élő mágnesek

Élő mágnesek

Lolita Alekseeva, Kozyeva Veronika
"Kémia és élet" №4, 2018

Vannak olyan mikroorganizmusok, amelyek mágneses mezőben – magnetotaktikus baktériumokon tudnak irányulni. A mágnesoszómák ebben segítenek – nanoméretű paramágneses részecskék, amelyeket lipid membránként öltöznek. De nem csak a baktériumoknak van szükségük magnetoszómára. Ezeket a találmányokat, valamint az antibiotikumokat és a specifikus DNS-vágáshoz használt CRISPR-rendszert könnyedén kölcsönözhetik az emberek.

MTB: kik azok?

A vas a bolygó egyik legérzékenyebb kémiai eleme, és az egyik legfontosabb az élő szervezetek számára. A vas biogeokémiai keringése két fő reakciót jelent – redukció és oxidáció, vagyis a háromértékű és kétértékű vas (Fe3+ ↔ Fe2+).

A vas részei az enzimek és az elektron hordozók, amelyek részt vesznek az anyagcsere folyamatokban, beleértve olyan alapvető tényezőket, mint a fotoszintézis, a légzés stb. A mikroorganizmusok a vas különböző formáit használják az energiafolyamatokban – mint elektrondonorok vagy akceptorok.

Azonban néhány baktérium egy másik felhasználási módot talált erre az elemre. Magnetoszómákat állítanak elő – mágneses kristályokat, amelyek membránnal vannak ellátva és navigációs eszközökként működnek.Az ilyen baktériumokat magnetotaktikusnak nevezik. Első alkalommal egy szakértői folyóiratban, a Woods-Hole Oceanográfiai Intézet, Richard Blackmore mikrobiológusa 1975-ben írta le. A mágnesotaktikus baktériumok (MTB) a vízi ökoszisztémákban élnek és a mágneses mező vonalak mentén mozoghatnak. Mindegyikük mikroaerofil vagy anaerob, vagyis életük során kevésbé vagy kevéssé oxigéntartalmú körülményeket preferálnak.

Ábra. 1. Az MTB különböző morfológiája: és – vibrio; b, g – botok; a – cocci; d – spirilla; e – "multicelluláris" baktériumok. kép: Mikrobiológiai kutatás, 2012, 167(9): 507-519.

Ezeknek a baktériumoknak a morfológiája eltérõ lehet – köztük a spirillis, a cocci, a botok, a vibriosok (1. Vannak például a magnetotaktikus "multicelluláris" baktériumok – sejtösszetételek Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Kb Magnetomorum litorale és Ca. Magnetananas tsingtaoensis. A magnetoszómák szintézisének képessége nem filogenetikai tulajdonság, a képviselőik különböző filogenetikai csoportokba tartoznak (2. Másrészt egy osztály, sőt a nemzetség között mind MTB, mind nem-magnetotaktikus baktériumok vannak.

A mágnesoszómák, ezek az egyedülálló organellek, tartalmaznak több nanométeres vas-vegyületek kristályait. A kristályok Fe-magnetitből állhatnak3O4 vagy greigit Fe3S4. A magnetoszómák mérete körülbelül 35-120 nm, a forma, a méret és az intracelluláris szervezés igen változatos (3.

Ábra. 2. A fő filogenetikai csoportok között találtak magnetotaktikus baktériumokat és néhány képviselőjüket. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Ábra. 3. A magnetoszómák formái: és – kockakéta; ba – hosszúkás prizma; g – Fog; d – golyó. kép: Természet-vélemények Mikrobiológia, 2016, 14, 621-637.

Mágneses biomineralizáció

Jelenleg több mint 40 gént azonosítottak, amelyek kódolják a magnetoszómák szintéziséhez kapcsolódó fehérjéket. A magnetoszómák biomineralizációjáért felelős összes gént a bakteriális kromoszóma egyik helyén – az úgynevezett magnetoszóma genomiális szigeten (MAI) gyűjtik össze. Több operonból áll. (Az operon egy kromoszóma része, melynek génjei vannak, amelyek termékei specifikus sejtfunkciót biztosítanak, például bizonyos anyag szállítása és asszimilációja, ezért logikus, hogy mindegyik gént aktiválják egyidejűleg.) Az összes MTB-ben megtalálható a konzervatív gének egy csoportja: mama, Mamb, mamC, MAMD, Mame, mamK, Mamo, mamp, mamQ.

Ábra. 4. A magnetoszóma szerkezetének ábrája. Kép: 2015.igem.org

Mágneses kristály körülveszi a membránt.A sejt cytoplazmatikus membránjának invaginációjából áll, és 3-4 nm vastagságú lipid kettősrétegből áll, melyben specifikus fehérjék kerülnek be, amelyek felelősek a magnetoszómák szintéziséért (4. Így először megformálódnak a magnetoszómák buborékok (hólyagok), majd a vas belül felhalmozódik.

Miután a vasat biztonságosan eljuttatták a magnetoszomális vezikulumba, a következő lépés megkezdődik – a nukleáz, vagy a kristályok nukleázációja, amelyet MTB-specifikus fehérjék szabályoznak. Ezek a magnetoszóma membrán felületén helyezkednek el és a vezikulum belsejében helyezkednek el. Az érett magnetoszómák kristályai hasonló méretűek és alakúak.

Egy speciális MamJ fehérje alkalmazásával a hólyagok párhuzamos citoszkeletális szálakhoz kapcsolódnak (5. Ezeket a szálakat a MamK fehérje alkotja.

Ábra. 5. A magnetoszomális lánc kialakulásának lépései: és – magnetoszómák nélküli sejt; b – magnetoszómás vezikulák (lásd körök); a – a vas szállítása a hólyagokba; g – a magnetoszómakép összeszerelése (csillag – MamJ; szaggatott vonal – MamK szálak); d – sejtosztódás, a mágneses erők csökkenése a sejtek hajlításakor és a sejtfal egyirányú elmélyülése; e – a magnetoszómák lánca a MamK húr mentén mozog a sejt középpontjába. kép: Természet-vélemények Mikrobiológia, 2016, 14, 621-637.

navigáció

Minden magnetoszomának mágneses pillanata van, mágnes az északi és déli pólusokkal. Minél hosszabb a magnetoszomális lánc, annál nagyobb a mágneses pillanat, és ennek megfelelően annál erősebb a mágnes. Ezek a láncok olyan sejtérzékelők, amelyek érzékelik a mágneses mezők irányát és gradiensét.

A baktériumok miért van szükség erre?

A legfontosabb hipotézis a kedvező feltételek megtalálásához kapcsolódik. Nem véletlenül említettük, hogy az MTB mikroaerofil vagy anaerob: nem szeretik a felesleges oxigént. Az optimális paraméterek gyakran az alsó üledékek területén vannak, ahol az átmenet az oxigén és az oxigénmentes zónák között történik. A magnetoszómaként miniatűr beépített iránytűként a mágneses mező vonalak mentén orientálódnak, és mozdulnak el a flagella segítségével, változtatva a merülés mélységét. A földgömb legnagyobb részét (az egyenlítői zónát kivéve) a mágneses vonalak a felülethez képest szögben vannak irányítva, így a mozgás mentén szükségszerűen az aljához vezet. Ezenkívül a baktériumok az aerotaktikus jelek felé irányulnak – az oxigénkoncentráció változása. Ezt a típusú mozgást magnetotaxisnak vagy magneto-erotaxisnak nevezik (6. ábra).

Ábra. 6. Mágneses aerotexis.Az északi féltekén az MTB a mágneses déli irányba hajlik, és az északi keresőnek nevezik, a déli féltekén – a déli kereső

Természetesen az MTB mágneses térének észlelésének mechanizmusa sokkal bonyolultabb, mint az erővonalak mentén történő egyszerű tájékozódás. Törzsvizsgálatok Magnetospirillum magneticum Az AMB-1 kimutatta, hogy a baktériumok a különböző tárgyakból származó mágneses mezők gradiensjeivel is orientálhatók, legyen az rendszeres mágnes vagy alsó mágneses lerakódások (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Az ilyen érzékenység védi a sejteket a mágnesezéstől a mágneses mező forrásaitól az élőhelyükön. Például ha egy baktérium kiderül, hogy közel áll a többi hasonló baktérium kipusztulásakor keletkező magnetit klaszterekhez, valószínű, hogy a saját magnetoszómái ezt a helyet megtartják, ha nem indul el az ellenkező irányba időben.

Véleményeket fejez ki, hogy a magnetoszómák eltérő szerepet játszhatnak az olyan sejtekben, amelyek nem kapcsolódnak az orientációhoz. Nem valószínű, hogy a vas tároló funkcióját ellátják: magnetoszomák jelen vannak a sejtekben, még akkor is, ha ennek a környezeti elemnek a hiánya van. Azt javasolták, hogy a magnetoszómák biomineralizálása része egy ősi anyagcsere útnak,amelyben a magnetoszomák szerepet játszottak az akceptorok vagy elektrondonorokként használt vasionok tárolásában a sejtenergia folyamatokban (Környezeti mikrobiológiai jelentések, 2017). Ez a verzió azonban kísérleti megerősítést igényel.

A magnetoszómák biotechnológiai alkalmazása

A mesterséges nanorészecskéket állandó vagy indukált mágneses nyomatékkal számos iparágban használják: a biomolekulák orvosi gyógyszerek elkülönítésére szolgáló kereskedelmi készletekből. Orvosi alkalmazásokhoz általában a szerves vegyületek kapszulájára vagy bioinert mátrixaira kerülnek. Mágneses mező hatása alatt mozognak a testen és különböző funkciókat hajthatnak végre.: kötődik a sejtekhez, gyógyszereket szállít stb.

Mágneses nanorészecskék biztonságosak a test számára? Bár az élő szervezetek legtöbb komponense gyengén diamágneses, azt találták, hogy néhány szervezet paramágneses részecskéket (általában magnetitot) hordoz. Például a magnetitkristályok jelen vannak a madarak testében, néhány rovarban és még az emberi agyban is. Egy elmélet szerint a Föld mágneses mezőiben való tájékozódásra használják őket.

A mesterséges mágneses nanorészecskék (IMN) szignifikánsan nagyobb citotoxicitást és genotoxicitást mutatnak a magnetoszómákhoz képest, és a szöveti nekrózis valószínűsége sokkal nagyobb. Így a kínai kutatók olyan kísérletet végeztek, amelyben IMN-et vagy magnetoszómákat injektáltunk az emberi retina pigment hámsejtkultúrájába (Tudományos jelentések, 2016, 6, 2696). A magnetoszómákkal kezelt sejtek normál morfológiát tartottak fenn, míg az IMN-sel rendelkező sejteket elpusztították. Mind a magnetoszómák, mind az IMN genotoxicitással rendelkeznek. Azonban az IMN által okozott kár jelentős volt, és sejtes önpusztítást okozott (apoptózis), míg a magnetoszómákkal kezelt sejtekben az apoptózist általában elnyomták.

Valószínű, hogy a biokompatibilitás biztosítja a magnetoszómák egyedülálló tulajdonságait: a foszfolipid héj, a magas kristályosság és a kémiai tisztaság, az erős mágnesesség, az alak és a méret egyenletes eloszlása. Feltételezik, hogy képesek lesznek teljesen helyettesíteni a mesterséges mágneses nanorészecskéket.

Vegyünk néhány szempontot a magnetoszómák használatáról.

Membránmódosítás

Ábra. 7. Különböző funkcionális csoportok bevezetése a magnetoszómák membránjába: és – enzimek és fluorofor címkék immobilizálása (például zöld fluoreszcens fehérje); b – hibridfehérjék (amelyeket több "térhálósított" gén expressziójával állítottak elő, amelyek eredetileg egyedi fehérjéket kódoltak) és sztreptavidin-címkék biotinnal jelölt biomolekulák (DNS vagy antitestek) horgonyzásához; a – komplexek kialakulása aranyszemcsékkel vagy kvantumpontokkal DNS-kapcsolók alkalmazásával; g – módosított magnetoszóma membránfehérjék és immunglobulin-kötő fehérjék alkalmazása. MM – magnetoszómamembrán, MMP – magnetoszomális fehérjék, SAV – streptavidin

A magnetoszomembrán, amely hasonló a sejtek és szerves sejtek membránjaihoz, számos jelzőmolekula természetes hordozója. A genetikai módszerek lehetővé teszik, hogy olyan módosított membránnal, például integrált fehérjékkel (pl. Így bakteriális magnetoszómákat alkalmaztunk két enzim, glükoxidáz és uricáz immobilizálására, amely 40-szer nagyobb aktivitást mutatott, mint amikor mesterséges mágneses részecskékre immobilizálódtak (Alkalmazott mikrobiológia és biotechnológia, 1987, 26, 4, 328-332).

A felületen immobilizált antitestekkel rendelkező mágnesoszómák felhasználhatók enzim immunvizsgálatokhoz, ideértve az allergének és az epitheliális karcinóma sejtek kimutatását. Ha a magnetoszómákat bizonyos sejtekre specifikus antitestekkel vonják be, akkor ezek a sejtek közvetlenül elkülöníthetők a biológiai folyadékoktól: a mágneses címke könnyen összeszerelhető.

Irányított kábítószer-szállítás

Vannak olyan kísérletek, amelyekben a hatóanyagot nem a magnetoszomák, hanem a teljes MTB sejtek (Természet Nanotechnológia, 2016, 11, 941-947). A sejtek törzséhez Magnetococcus marinus Az MC-1 körülbelül 70 hatóanyagot tartalmazó nanoliposzómát tartalmazott, és ezeket a baktériumokat beoltotta immunhiányos egerekbe. Mágneses kontroll alatt az MC-1 sejtek legfeljebb 55% -a jutott be a tumorba. Ebben az esetben figyelemre méltó, hogy a hypoxia – oxigénhiány – jellemző a tumorszövetekre, ezért a mágneses aerotaktikus viselkedést mutató mikroorganizmusok használata sokkal hatékonyabbá teheti a terápiát.

Génszállítás

Vonzó modern megközelítés az antigénspecifikus immunitás elérése érdekében – az úgynevezett DNS-vakcinák: olyan DNS-t vezetnek be a szervezetbe, amely specifikus géneket tartalmaz, melyek termékei a test védőreakcióit okozzák.Jelenleg azonban nincs egyszerű és hatékony rendszer a DNS-vakcinák antigén-prezentáló sejtekbe való bejuttatására. A mágnesoszómok jó szerepet játszanak ebben a szerepben. Például kísérleteket végeztek olyan egereken, amelyekben a magnetoszóma alapú DNS-vakcina növelte a tumorok elleni szisztémás immunválaszt, és nem figyeltek meg toxikus hatásokat (Génterápia, 2012, 19(12), 1187-1195).

Mágneses rezonancia képalkotás

A magnetoszómáknak köszönhetően sok betegség diagnózisának és kezelésének forradalma várható. A mágneses rezonancia képalkotás (MRI) a magmágneses rezonancia elvein alapuló képalkotó módszer, amelyet elsősorban a belső szervek jó minőségű képeinek előállítására használnak. A túlérzékeny MRI esetében általánosan alkalmazott kontrasztanyagok, amelyek pontosabbá teszik a képet – például egyenletes méretű és alakú mágneses nanorészecskék.

A magnetoszómák kontrasztos hatékonyságát az egér agy vascularis hálózatának vizualizálásakor vizsgáltuk (8. Még egy kis adag is megengedte, hogy jó képet kapjon. Összehasonlításként kétféle kontrasztanyagot (vas-oxid, mágneses mágneses nanorészecskék) és sóoldatot választottunk kontrollként.A magnetoszómákban a legnagyobb mágneses aktivitást figyelték meg, az angiogramok láthatóbbak voltak (Haladó egészségügyi ellátás, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Ábra. 8. Az egér agyának 3D-angiogrammjai a kontrasztanyag klinikai dózisának injektálása után: és – 100 μl sóoldat; b – 100 μl vasoxid, 20 μmol / kg; a – 100 μl MV-1, 20 μmol / kg-os magnetoszómák

hipertermia

A mágneses folyadék hipertermia (MZHG) a magnetoszómákat tartalmazó folyadék injektálása közvetlenül egy daganatba, majd egy váltakozó mágneses tér létrehozása körül. Ebben az esetben a daganat a mágneses nanorészecskék által eloszlott hő által elpusztul, és az egészséges szövetek nem melegednek fel. A kísérletben a magnetoszómák a kémiailag szintetizált vasoxidhoz képest magasabb daganatellenes hatást mutattak (a tumor teljes eltűnésével), és az egerek túlélési aránya szignifikánsan magasabb volt (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritikai felülvizsgálat a biotechnológiában, 2016; 36(5), 788-802).

Nem csak az élettudományok

A mágnesoszómok szintén a geológusok, paleontológusok és astrobiológusok érdeklődésének tárgyává váltak. Az a tény, hogy más források hiányában a magnetoszómák majdnem csak a maradék mágneses indukció hordozói lehetnek. Izotópos elemzéssel és más módszerekkel megítélhetjük a magnetoszómákat tartalmazó üledékek életkorát, ésVáltozások történtek a Föld mágneses mezőiben abban az időben? És végül – a pólusok megváltozásáról, eredetük történetéről, a tektonikus lemezek mozgásáról és sok más dologról (Előrehaladások az alkalmazott mikrobiológiában, 2007, 62, 21-62).

Így a magnetoszómákat a tudomány és a technológia különböző területein használják. A magnetotaktikus baktériumok termesztésének módszerei gyorsan fejlődnek, a törzsek termelékenysége folyamatosan növekszik. Talán a következő néhány évtizedben a bakteriális "nanokompaszok" fontos biotechnológiai termék lesz, az orvosi izotópokkal és a fluoreszcens fehérjékkel együtt.

irodalom
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. A magnetotaktikus baktériumok ökológiája, sokfélesége és fejlődése // Mikrobiológiai és Molekuláris Biológiai Vélemények. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktikus baktériumok, magnetoszómák és alkalmazásuk // Mikrobiológiai kutatás. 2012, 167, 507-519; DOI: 10,1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. A bakteriális magnetoszóma: Egyedi prokarióta szervek // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetoszóma biogenezis magnetotaktikus baktériumokban // Nature Review Microbiology. 2016, 14, 621-637. DOI: 10,1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktikus baktériumok: a nanodrivers a jövő // Kritikus vélemények a biotechnológiában. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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