Magnetotaktikus baktériumok • Marina Polyakova • Napi tudományos kép a "Elemek" • Mikrobiológia

Magnetotaktikus baktériumok

A pásztázó elektronmikroszkóppal készített fénykép egy magnetotaktikus baktérium. Magnetococcus marinus. A kanadai tudósok megtanulják felhasználni természetes képességét a rák elleni küzdelemben. Ők "rákellenes gyógyszerrel" felfegyverzik a liposzómákkal. Ezután a baktérium magnetotaktikus tulajdonságainak felhasználásával közvetlenül a tumor közepére került.

De rendeljünk. Az élő szervezeteknek számos mechanizmusa van az űrben való tájékozódáshoz. A növények a napfényt és a gravitációt alkalmazzák annak meghatározására, hogy melyik irányúak növekedjenek, amikor a madarak vándorlását részben a nap és a csillagok irányítják, ám a járókelőtől csak utat kérhet.

Egyes állatok a Föld geomagnetikus mezőjét használják a navigációhoz. Nekik van valami, mint egy beépített iránytű, amely mindig felszólítja az utat. Ez a módszer képes olyan nagy organizmusokra, mint a hal vagy a madarak, és a legegyszerűbb. Például egyes baktérium-típusok magnetotaksisták, ezért magnetotaktikusak.

A mágnetotaktikus baktériumokat a Proteobacteria csoport (Proteobacteria) és Nitrospirae szinte valamennyi csoportjában találják.Mindegyik gram-negatív baktériumhoz tartozik: a sejtmembrán kétrétegű, ellentétben az egyrétegű baktériumokkal a gram-pozitív baktériumok között. Mindenütt megtalálhatók friss, szikes és tengeri vizekben. A legtöbb magnetotaktikus baktérium mezofil, vagyis 20 ° C és 45 ° C közötti hőmérsékleten élnek. Azonban egy baktériumot találtak a forró forrásokban Észak-Nevadában (USA). HSMV-1 a Nitrospirae csoportból, amely körülbelül 63 ° C-os hőmérsékleten létezhet – azaz egy klasszikus termofil. Számos lúgos (nagy alkalinitású) faj is megtalálható.

Első ízben a magnetotaktikus baktériumokat 1975-ben felfedezte Richard Blakemore mikrobiológus (nem szabad összetéveszteni Richie Blackmore gitárosból a Deep Purple-ból!). Mikroszkóp alatt mocsári szennyvízmintákat tanulmányozott, és észrevett néhány baktérium különös viselkedését. Ahelyett, hogy a kaotikusan oda-vissza járkálták volna az üveglapon, ugyanabba az irányba küldték az ablak felé. Eleinte a tudós úgy döntött, hogy a napfényben az ablakból következett be, és hogy baktériumok reagáltak rá. De a mikroszkóp áthelyezése egy másik szobába semmi sem változtatott, a mozgás iránya ugyanaz maradt.Aztán Blakemore azt javasolta, hogy a baktériumok északnak mozoghatnak – ott volt az ablak. Az elméletét mágnessel tesztelte, és nem tudta elhinni a szemét: a baktériumok reagáltak a mágneses mezőre! Amikor egy tudós mágnest hozott egy mikroszkópba, a mikroorganizmusok északi végük felé rohantak, megfeledkezve korábbi pályájukról. És amint a mágnest eltávolították, újra elindultak a Föld északi mágnesoszlopához.

Hogyan csinálják? A mágnektatikus baktériumok kis szervorganizmussal rendelkeznek – magnetoszómák. Ezek a sejt belső membránjának kiugrásából és az üres hólyagok – vezikulumok képződéséből erednek. A hólyagképződést követően keletkezik a biomineralizáció folyamata, amelynek során nagy mennyiségű vas felhalmozódik. A növekedési körülményektől függően a sejt teljes sejten belüli vasának több mint 99,5% -a lehet jelen a magnetoszómákban, ami viszont a sejt száraz tömegének több mint 4% -át teheti ki.

Nem ismert a vasnak a vezikulák pontos bejutása, de két legvalószínűbb módja van. Az első azt sugalljahogy a vas a periklazmából, a sejt belső és külső membránjai közötti térbe jut, amikor a magnetoszóma membrán még mindig része a citoplazmatikus membránnak.

A vas-ionok hólyagokká történő továbbításának második módja a speciális transzporter molekulák alkalmazása. Először is, egyes molekulák "beveszik" ezeket az ionokat a citoplazmatikus membránon, és bejutnak a citoplazmába, majd más transzporterek a citromsavból a magnetoszomembránon keresztül a jövő magnetoszómájába viszik át a vasat.

Az ábra két lehetséges módot mutat a vas (Fe) szállítására a vezikuláris magnetoszómákhoz. Az első módszer közvetlenül a periplazmából a lumikum üregében lévő lumenen keresztül történik. A második a citoplazmán keresztül történik speciális transzporter molekulák (narancs és kék számadatok). OM – a sejtmembrán külső rétege, IM – belső. Ábra L. Rahn-Lee, A. Komeili, 2013. A magnetoszóma modell: a bakteriális biominerálódás mechanizmusaira

Hamarosan miután a hólyagok fel vannak töltve vasalommal, a sejt a magnetit kristályaiba vagy a greigite szulfid analógjává alakítja őket. A magnetit mágneses pillanata többszörösen nagyobb, mint a szürke. Ez valószínűleg a magnetotaktikus baktériumok népszerűségének köszönhető. Minden kristály mágnes, északi és déli oszlop.A baktériumok egy láncon belül magukba helyezik a kristályokat, és speciális szerkezeti fehérjével rögzítik, hogy egy hosszú mágnest készítsenek (mint egy iránytű nyíl). Minél több kristály – minél több mágnes erősebb és érzékenyebb a mágneses mezőre. Ez a baktérium-tervezés a Föld geomágneses mezője mentén történő mozgás irányítására szolgál.

Érdekes, hogy a sejtosztódás során a magnetoszómák láncolata pontosan félig részre oszlik az anyalencében, és részben a lányok sejtje. Ezután a növekedés folyamatában a vasat elnyelik a környezetből, és a magnetoszzómákat a szükséges hosszúságúra terjeszti ki.

Magnetotaktikus baktérium magnetoszómákkal (sötét pontok). A központban – a magnetos nagyított képe. A magnetoszóm közepén egy mágnes részecske, melyet egy magnetoszóma membrán borít (a belső sejtmembrán kiugrásának eredménye). Egy láncban a magnetoszómák komplexét stabilizálják a MamA fehérjével. N. Zeytuni és munkatársai, 2011. MamA, a magnetoszómához kapcsolódó TPR-tartalmú fehérje önismereti mechanizmusa elősegíti a komplex összeszerelést

Miért van szükség a baktériumok irányára? Mint sok más típusú baktérium, a magnetotaktikus baktériumok nem szeretik az oxigént, és inkább olyan környezetben élnek, ahol a koncentráció a lehető legalacsonyabb.Legtöbbjük mikroaerofil: oxigén szükséges a normális növekedéshez, de kis mennyiségben. A felesleg negatív hatással van ezekre a baktériumokra, és mindig hajlamosak elkerülni a nagy koncentrációjú területeket. Ezért kedvenc lakóhelyük a tározók oxigénmentes és oxigénmentes zónáján található. Természetes iránytükörüket használják annak megállapítására, hogy hol van az alja és hol van a csúcs, megváltoztatják a merülés mélységét, és így választják maguknak a legkedvezőbb feltételeket.

Vannak olyan anaerob fajok is, amelyek semmilyen mennyiségben nem tolerálják az oxigént. Használnak magnetotaksist is, hogy a lehető legmélyebben úszjanak az oxigéntől mentes zónába. Az ilyen baktériumok közül leggyakrabban a greigite szerelmesei találhatók, mivel létrehozása nem igényel oxigént.

A Föld mágneses mezője többé-kevésbé vertikálisan irányul mindenütt az egyenlítő kivételével. Ezért a magnetotaktikus baktériumok a Föld mágneses mezőjére összpontosítva gyorsabban és könnyebbé válnak az alacsony oxigéntartalmú területeken, mint azok a baktériumok, amelyek véletlenszerűen minden irányban lebegnek. Az északi féltekén a baktériumok észlelhetők északra, a déli féltekén – délen (visszahíváshogy a Föld mágneses és földrajzi oszlopai nem esnek egybe).

A Föld mágneses mezőjének iránya és a magnetotaktikus baktériumok orientációja az északi és a déli féltekében. Kép S. Hussain, 2016. A természet élmágnesei:

A magnetotaktikus baktériumok orientációja mágneses és aerotaksis kombináción alapul. A magnetotaxis felelős annak biztosításáért, hogy a baktériumok mélyebben lebegjenek – annál mélyebbre, annál kevesebb oxigénre vagy felfelé, ha az oxigén elégtelen lesz. Az aerotaksis szabályozza a koncentrációját, és megállapítja, hogy a feltételek már elég kényelmesek, és itt az ideje, hogy megálljon.

Balra – a vízoszlop diagramja oxigénmentes (oxigénmentes), oxigénmentes (Anoxic) és közbenső (OATZ – oxi-anoxiás átmeneti zónák) zónákra osztásával. Jobbra – megnagyobbított közbülső zónát mutató magnetotaktikus baktériumok. A magnetoszómákat a mágneses mező vonalak mentén mozgatják (pontozott nyilakkal), és elérjék az optimális oxigén koncentrációjú zónát. A D. H. Nies, 2011. cikkből származó ábrázolás. Hogyan válik a vas magnetoszómákba

A tudósok érdeklődnek a mágneses baktériumok gyakorlati használatától. Természetesen nem csatolnak szerelmi üzenetet a hűtőszekrényhez, de sok más hasznos alkalmazást is talál.Például, amint azt a cikk elején említettük, a kanadai kutatók kimutatták, hogy magnetotaktikus baktériumok alkalmazhatók. Magnetococcus marinus a daganatok hipoxiás (kis oxigéntartalmú) területekre történő bejuttatására. -ban M. marinusmint a legtöbb magnetotaktikus baktérium, a vízi környezetben aktív mozgásra utalnak. Ezek a kicsi farokszerű szerkezetek képesek elfordulni és működni, mint egy propeller, lehetővé téve a baktériumok gyors úszását és egyszerű irányváltását. Ezen kívül a gömb alakú és kis méretű (1-2 mikron) lehetővé teszi számukra, hogy könnyedén be tudják szorítani a keskeny (körülbelül 2 mikronos) sejtközi térbe a daganatban.

A külső membránhoz kapcsolódó antitesteket használó tudósok M. marinus apró vezikulák (liposzómák) az SN-38 rákellenes gyógyszerrel. Ezután baktériumokat vezettek be laboratóriumi egerekbe a szövet közelében. Miután létrehoztak egy háromdimenziós mágneses mezőt, speciális mágneses felületet használtak arra, hogy a mikroorganizmusok "fegyveres" liposzómákkal való mozgását a gyógyszerhez a lehető legközelebb a daganathoz irányítsák, hogy felismerhessék az oxigén koncentráció gradiensét. Ezt követően az aerotaksis jött létre.A baktérium "érzékeli" az oxigéntartalom különbségét, a legalacsonyabb koncentráció irányába rohant, vagyis a tumor közepén. Ennek eredményeképpen a baktériumok több mint fele szállította a gyógyszert a rendeltetési helyre.

Ez a módszer nemcsak csökkentheti a megismétlődés kockázatát, hanem csökkenti a kezelés toxicitását is, mivel a gyógyszerek nem kerülnek elosztásra az egész szervezetben, csak akkor, ha azokat a baktériumok veszi.

És végül – egy videó arról, hogy a tudósok hogyan táncolják a baktériumokat: a mágneses baktériumok hasznosak lehetnek nemcsak komoly ügyekben, hanem tudományos szórakozásként is. A holland és a német tudósok arra kényszerítették a baktériumokat, hogy táncoljanak egy egymásra helyezett mágneses mezőben.

Fotó: O. Felfoul és munkatársai, 2016. A magneto-aerotaktikus baktériumok kábítószertartalmú nanoliposzómákat szállítanak hipoxiás régiókba.

Marina Polyakova


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: :???: :?: :!: