живі магніти

Живі магніти

Лоліта Алексєєва, Вероніка Козяева
"Хімія і життя" №4, 2018

Існують мікроорганізми, здатні орієнтуватися в магнітному полі, – магнітотактіческіе бактерії. Допомагають їм у цьому магнетосомамі – нанорозмірні парамагнітні частинки, одягнені ліпідної мембраною. Але магнетосомамі потрібні не тільки бактеріям. Це їхній винахід, поряд з антибіотиками і системою CRISPR для специфічного розрізання ДНК, охоче запозичують люди.

МТБ: хто вони такі?

Залізо – один з найдоступніших хімічних елементів на планеті і один з найважливіших для живих організмів. Биогеохимический круговорот заліза включає в себе дві основні реакції – відновлення і окислення, тобто взаємоперетворення тривалентного і двовалентного заліза (Fe3+ ↔ Fe2+).

Залізо входить до складу ферментів і переносників електронів, які беруть участь в процесах метаболізму, в тому числі таких фундаментальних, як фотосинтез, дихання і т. Д. Мікроорганізми використовують різні форми заліза в енергетичних процесах – як донорів або акцепторів електронів.

Однак деякі бактерії знайшли цьому елементу інше застосування. Вони продукують магнетосомамі – магнітні кристали, вкриті мембраною і функціонують як навігаційні пристрої.Такі бактерії отримали назву магнітотактіческіх. Вперше в рецензованому журналі їх описав мікробіолог з Океанографічного інституту Вудс-Хол Річард Блекмор в 1975 році. Магнітотактіческіе бактерії (МТБ) мешкають у водних екосистемах і можуть переміщатися уздовж ліній магнітного поля. Всі вони мікроаерофіли або анаероби, тобто для життєдіяльності воліють умови з невеликим вмістом кисню або взагалі без нього.

Мал. 1. Різноманітна морфологія МТБ: а – вібріон; б, г – палички; в – кок; д – спірили; е – "багатоклітинна" бактерія. зображення: Microbiological Research, 2012, 167(9): 507-519.

Морфологія цих бактерій може бути різною – серед них є спірили, коки, палички, вібріони (рис. 1). Зустрічаються і магнітотактіческіе "багатоклітинні" бактерії – агрегати клітин, наприклад Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale і Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Здатність до синтезу магнетосом не є филогенетическим ознакою, їх представники належать до різних филогенетическим групам (рис. 2). З іншого боку, серед одного класу і навіть роду є як МТБ, так і немагнітотактіческіе бактерії.

Магнетосомамі, ці унікальні органели, містять кристали сполук заліза розміром в декілька нанометрів. Кристали можуть складатися з магнетиту Fe3O4 або грейгіта Fe3S4. Розмір магнетосом – приблизно 35-120 нм, а форма, розмір і внутрішньоклітинна організація бувають найрізноманітнішими (рис. 3).

Мал. 2. Основні филогенетические групи, серед яких були виявлені магнітотактіческіе бактерії і деякі їх представники. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Мал. 3. Форми магнетосом: а – кубоктаедріческіе; бв – подовжені призматичні; г – зубовидний; д – пулевідной. зображення: Nature Reviews Microbiology, 2016, 14, 621-637.

біомінералізація магнетосом

В даний час виявлено понад 40 генів, які кодують білки, пов'язані з синтезом магнетосом. Всі гени, що відповідають за биоминерализации магнетосом, зібрані в одному місці бактеріальної хромосоми – в так званому магнетосомном геномном острові (MAI). Він складається з декількох оперонов. (Оперон – ділянка хромосоми з набором генів, продукти яких забезпечують певну функцію клітини, наприклад транспорт і засвоєння певного речовини, так що логічно всі ці гени активувати одночасно.) Існує набір консервативних генів, які знайдені у всіх МТБ: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Мал. 4. Схема будови магнетосомамі. Зображення: 2015.igem.org

Магнітний кристал оточує мембрана.Вона утворюється з впячивания цитоплазматичної мембрани клітини і складається з ліпідного бішару товщиною 3-4 нм, в який вбудовані специфічні білки, що відповідають за синтез магнетосом (рис. 4). Таким чином, спочатку формуються магнетосомние бульбашки (везикули), потім всередині них накопичується залізо.

Після того як залізо благополучно доставлено в магнетосомную везикулу, починається наступна стадія – нуклеація, або зародження кристалів, яку регулюють специфічні для МТБ білки. Вони розташовуються на поверхні магнетосомной мембрани і всередині везикули. Кристали в зрілих магнетосомамі подібні за розміром і формою.

За допомогою спеціального білка МamJ везикули прикріплюються до паралельним цитоскелетних ниткам (рис. 5). Ці нитки утворені білком МamK.

Мал. 5. Етапи освіти магнетосомной ланцюга: а – клітина без магнетосом; б – магнетосомние везикули (показані кружками); в – транспорт заліза в везикули; г – складання магнетосомной ланцюга (зірочка – МamJ; пунктирна лінія – нитки МamK); д – розподіл клітини, магнітні сили зменшуються при перегибании клітин і однонаправленому поглибленні клітинної стінки; е – ланцюжки магнетосом переміщаються до центру клітини уздовж нитки МamK. зображення: Nature Reviews Microbiology, 2016, 14, 621-637.

Навігація

Кожна магнетосомамі володіє магнітним моментом і являє собою магніт з північним і південним полюсами. Чим довше магнетосомная ланцюжок, тим більше магнітний момент і, відповідно, сильніше магніт. Ці ланцюги – клітинні датчики, що вловлюють напрямок і градієнти магнітних полів.

Так для чого це потрібно бактеріям?

Основна гіпотеза пов'язана з пошуком сприятливих умов. Ми не випадково згадали, що МТБ – мікроаерофіли або анаероби: надлишок кисню їм не подобається. Оптимальні для них параметри часто знаходяться в області придонних опадів, там, де існує перехід між кисневої і безкисневому зонами. Використовуючи магнетосомамі як мініатюрний вбудований компас, вони орієнтуються уздовж ліній магнітного поля і рухаються за допомогою джгутиків, варіюючи глибину занурення. Магнітні лінії на більшій частині земної кулі (крім екваторіальної зони) спрямовані під кутом до поверхні, тому рух уздовж них обов'язково призведе до дна. Крім того, бактерії орієнтуються на аеротактіческіе сигнали – зміна концентрації кисню, Такий тип руху називається магнетотаксис або магнітоаеротаксісом (рис. 6).

Мал. 6. Магнітоаеротаксіс.У Північній півкулі МТБ прагнуть до магнітного південь і називаються північно-шукають, в Південній півкулі – південно-шукають

Зрозуміло, механізм сприйняття магнітного поля МТБ набагато складніше, ніж просте орієнтування по силових лініях. дослідження штаму Magnetospirillum magneticum AMB-1 показали, що бактерія також може орієнтуватися щодо градієнтів магнітних полів, що виходять від різних предметів, будь то звичайний магніт або донні магнітні відкладення (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Така чутливість може забезпечувати захист клітин від прімагнічіванія до джерел магнітного поля в місцях їх проживання. Наприклад, коли бактерія виявиться поблизу скупчень магнетиту, що утворилися при відмирання інших подібних бактерій, є ймовірність, що її утримають на цьому місці власні магнетосомамі, якщо вона вчасно не почне рух в інший бік.

Висловлюються і думки про те, що магнетосомамі можуть грати в клітинах іншу роль, не пов'язану з орієнтуванням. Малоймовірно, щоб вони виконували функцію запасання заліза: магнетосомамі присутні в клітинах навіть при дефіциті цього елемента у навколишньому середовищі. Існує припущення, що біомінералізація магнетосом може бути частиною стародавнього метаболічного шляху,в якому магнетосомамі грали роль сховища іонів заліза, які використовуються як акцептори або донори електронів в клітинних енергетичних процесах (Environmental Microbiology Reports2017). Однак ця версія ще потребує експериментальному підтвердженні.

Біотехнологічне застосування магнетосом

Штучні наночастинки з постійним або наведеним магнітним моментом зараз використовуються в самих різних галузях: від комерційних наборів для виділення біомолекул до медичних препаратів. Для медичних застосувань їх зазвичай одягають в капсули або біоінертні матриці з органічних сполук. Під впливом магнітного поля вони переміщаються по організму і виконують різні функції: зв'язуються з клітинами, доставляють лікарські препарати і т. д.

Чи безпечні для організму магнітні наночастинки? Хоча більшість компонентів живих організмів слабо діамагнітни, виявилося, що деякі організми несуть в собі парамагнітні частинки (зазвичай магнетит). Наприклад, кристали магнетиту присутні в організмі птахів, деяких комах і навіть в людському мозку. Згідно з однією з теорій вони служать для орієнтування в магнітному полі Землі.

Штучні магнітні наночастинки (ВМП) демонструють значно більшу цитотоксичність і генотоксичность в порівнянні з магнетосомамі, і ймовірність некрозу тканин при їх використанні набагато вище. Так, китайські дослідники провели експеримент, при якому в культуру клітин пігментного епітелію сітківки людського ока вводили ВМП або магнетосомамі (Scientific Reports, 2016, 6, 2696). Клітини, оброблені магнетосомамі, зберігали нормальну морфологію, в той час як клітини з ВМП руйнувалися. І магнетосомамі, і ВМП мають генотоксичностью. Однак ушкодження, викликані ВМП, були суттєвими і приводили до самознищення клітин (апоптозу), тоді як в клітинах, оброблених магнетосомамі, апоптоз, як правило, пригнічувався.

Ймовірно, биосовместимость забезпечують унікальні властивості магнетосом: фосфолипидная оболонка, висока кристалличность і хімічна чистота, сильна намагніченість, рівномірний розподіл форми і розміру. Передбачається, що вони зможуть повністю замінити штучні магнітні наночастинки.

Розглянемо деякі аспекти застосування магнетосом.

модифікація мембрани

Мал. 7. Введення різних функціональних груп в мембрану магнетосом: а – іммобілізація ферментів і флуорофорних міток (наприклад, зеленого флуоресцентного білка); б – використання гібридних білків (отриманих експресією декількох "зшитих" генів, спочатку кодували окремі білки) і стрептавідінових міток для заякоріванню біомолекул (ДНК або антитіла), помічених біотин; в – утворення комплексів з частинками золота або квантовими точками за допомогою ДНК-лінкерів; г – використання модифікованих білків мембрани магнетосом і імуноглобулін-зв'язуючих білків. MM – магнетосомная мембрана, MMP – магнетосомние білки, SAV – стрептавидин

Мембрана магнетосомамі, подібна мембран клітин і органел, – природний носій для багатьох сигнальних молекул. Методи генної інженерії дозволяють створювати магнетосомамі з модифікованою мембраною, наприклад з вбудованими білками (рис. 7). Так, бактеріальні магнетосомамі були використані для іммобілізації двох ферментів – глюкооксідази і уриказа, які демонстрували в 40 разів більшу активність, ніж при іммобілізації на штучних магнітних частинках (Applied Microbiology and Biotechnology, 1987, 26, 4, 328-332).

Магнетосомамі з іммобілізованими на поверхні антитілами можна використовувати для імуноферментних аналізів, включаючи детекцию алергенів і клітин карциноми епітелію. Якщо покрити магнетосомамі антитілами, специфічними для певних клітин, ці клітини можна буде виділити безпосередньо з біологічних рідин: магнітна мітка дозволить легко їх зібрати.

Спрямована доставка лікарських препаратів

Є експерименти, в яких ліки в пухлину доставляв магнетосомамі, а цілі клітини МТБ (Nature Nanotechnology, 2016, 11, 941-947). До клітинам штаму Magnetococcus marinus MC-1 прикріпили приблизно 70 наноліпосом, навантажених ліками, і ввели цих бактерій імунодефіцитних мишам, яким було зроблено щеплення пухлини. Під магнітним контролем в пухлини проникало до 55% клітин MC-1. В даному випадку примітно ще і те, що для пухлинних тканин характерна гіпоксія – дефіцит кисню, тому використання мікроорганізмів, що виявляють магнітоаеротактіческое поведінку, може зробити терапію набагато ефективніше.

доставка генів

Привабливий сучасний підхід для досягнення антиген-специфічного імунітету – так звані ДНК-вакцини: в організм вводять ДНК зі специфічними генами, продукти яких викликають захисні реакції організму.Однак в даний час відсутня легка і ефективна система доставки ДНК-вакцини в антігенпрезентірующіх клітини. Магнетосомамі – хороший претендент на цю роль. Наприклад, проводилися досліди на мишах, у яких ДНК-вакцина на основі магнетосом збільшила системний імунну відповідь проти пухлин, при цьому не спостерігалося токсичного впливу (Gene Therapy, 2012, 19(12), 1187-1195).

Магнітно-резонансна томографія

Завдяки магнетосомамі очікується революція в діагностиці та лікуванні багатьох захворювань. Магнітно-резонансна томографія (МРТ) – це метод візуалізації, заснований на принципах ядерного магнітного резонансу, застосовується він в першу чергу для отримання високоякісних зображень внутрішніх органів. Для надчутливої ​​МРТ зазвичай використовують контрастні агенти, які роблять зображення більш точним, – наприклад, магнітні наночастинки з однорідними розміром і формою.

Була досліджена контрастна ефективність магнетосом при візуалізації судинної мережі мозку миші (рис. 8). Навіть невелика їх доза дозволила отримати хорошу картинку. Для порівняння обрали два види контрастних речовин (штучні магнітні наночастинки з оксиду заліза, магнетосомамі) і фізіологічний розчин в якості контролю.Найбільша магнітна активність спостерігалася у магнетосом, відповідно, ангіограми були більш наочними (Advanced Нealthcare Мaterials, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Мал. 8. 3D-ангіограми головного мозку миші після ін'єкції клінічної дози контрастної речовини: а – 100 мкл фізіологічного розчину; б – 100 мкл оксиду заліза, 20 мкмоль / кг; в – 100 мкл магнетосом MV-1, 20 мкмоль / кг

гіпертермія

Магнітна рідинна гіпертермія (МЖГ) – ін'єкція рідини, що містить магнетосомамі, прямо в пухлину, а потім генерування змінного магнітного поля навколо неї. При цьому пухлина знищується за рахунок тепла, що розсіюється магнітними наночастинками, а здорові тканини не нагріваються. В експерименті магнетосомамі демонстрували більш високу протипухлинну ефективність (з повним зникненням пухлини) в порівнянні з хімічно синтезованим оксидом заліза, і виживаність мишей була істотно вище (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Critical Review in Biotechnology, 2016; 36(5), 788-802).

Не тільки науки про життя

Магнетосомамі також стали предметом інтересу геологів, палеонтологів, астробиологов. Справа в тому, що при відсутності інших джерел магнетосомамі можуть бути майже єдиними носіями залишкової магнітної індукції. Використовуючи ізотопний аналіз та інші методи, можна судити про вік відкладень, що містять магнетосомамі, і про те,відбувалися в той період зміни в магнітному полі Землі. А в підсумку – про зміну полюсів, історії їх походження, рух тектонічних плит і про багато іншого (Advances in Applied Microbiology, 2007, 62, 21-62).

Таким чином, магнетосомамі знаходять застосування в різних областях науки і техніки. Стрімко розвиваються методи культивування магнітотактіческіх бактерій, продуктивність штамів безперервно підвищується. Можливо, в найближчі кілька десятиліть бактеріальні "нанокомпаси" стануть важливим біотехнологічним продуктом, нарівні з медичними ізотопами і флуоресцентними білками.

література
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ecology, Diversity, and Evolution of Magnetotactic Bacteria // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application // Microbiological Research. 2012 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. The Bacterial Magnetosome: A Unique Prokaryotic Organelle // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosome biogenesis in magnetotactic bacteria // Nature Review Microbiology. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotactic bacteria: nanodrivers of the future // Critical Reviews in Biotechnology. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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