Životní magnety

Životní magnety

Lolita Alekseeva, Veronika Kozjeva
"Chemie a život" č. 4, 2018

Existují mikroorganismy schopné orientovat se v magnetickém poli – magnetotaktické bakterie. Magnetozomy jim pomáhají v tomto – nanoscale paramagnetické částice oblečené jako lipidová membrána. Ale nejen bakterie potřebují magnetosomy. Tento vynález jejich, společně s antibiotiky a systémem CRISPR pro konkrétní řezání DNA, si lidé snadno půjčují.

MTB: Kdo jsou?

Železo je jedním z nejdostupnějších chemických prvků na planetě a jeden z nejdůležitějších pro živé organismy. Biogeochemická cirkulace železa zahrnuje dvě hlavní reakce – redukci a oxidaci, tj. Interkonverzi trojmocného a dvojmocného železa (Fe3+ ↔ Fe2+).

Železo je součástí enzymů a nosičů elektronů, které se podílejí na metabolických procesech, včetně takových zásadních, jako je fotosyntéza, respirace atd. Mikroorganismy používají různé formy železa v energetických procesech – jako donory nebo akceptory elektronů.

Některé bakterie však našly další použití tohoto prvku. Vyrábí magnetosomy – magnetické krystaly, pokryté membránou a fungující jako navigační zařízení.Takové bakterie se nazývají magnetotaktické. Poprvé v peer-reviewed časopisu, mikrobiolog z Woods-Hole Institute of Oceanography, Richard Blackmore, popsal je v roce 1975. Magnetotaktické bakterie (MTB) žijí ve vodních ekosystémech a mohou se pohybovat podél linií magnetického pole. Všechny z nich jsou mikroaerofilní nebo anaerobní, tj. Pro život, preferují podmínky s malým nebo bez obsahu kyslíku.

Obr. 1. Různá morfologie MTB: a – vibrio; b, g – hole; v – koky; d – spirilla; e – "mnohobuněčné" bakterie. Obrázek: Mikrobiologický výzkum, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologie těchto bakterií může být odlišná – mezi nimi jsou spirillis, koky, hole, vibrios (obr. 1). Tam jsou také magnetotaktické "mnohobuněčné" bakterie – buněčné agregáty, například Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale a Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Schopnost syntetizovat magnetosomy není fylogenetickým znakem, jejich zástupci patří do různých fylogenetických skupin (obr. 2). Na druhou stranu, mezi jednou třídou a dokonce rody existují jak MTB, tak non-magnetotaktické bakterie.

Magnetozomy, tyto jedinečné organely, obsahují krystaly sloučenin železa o velikosti několika nanometrů. Krystaly se mohou skládat z magnetitu Fe3O4 nebo gregit Fe3S4. Velikost magnetosomů je přibližně 35-120 nm a tvar, velikost a intracelulární uspořádání jsou velmi rozmanité (obr. 3).

Obr. 2 Hlavní fylogenetické skupiny, mezi nimiž byly objeveny magnetotaktické bakterie a někteří jejich zástupci. Věstníku molekulární mikrobiologie a biotechnologie. 2013, 23(1-2): 63-80.

Obr. 3 Formy magnetosomů: a – cuboctahedral; bv – podlouhlý hranol; g – zub; d – kulička. Obrázek: Příroda Recenze Mikrobiologie, 2016, 14, 621-637.

Magnezomální biomineralizace

V současnosti je identifikováno více než 40 genů, které kódují proteiny spojené se syntézou magnetozomů. Všechny geny zodpovědné za biomineralizaci magnetosomů se shromažďují na jednom místě bakteriálního chromozomu – na tzv. Magnetosomovém genomovém ostrově (MAI). Skládá se z několika operonů. (Operon je součástí chromozomu se sadou genů, jejichž produkty poskytují specifickou buněčnou funkci, například transport a asimilaci určité látky, takže je logické aktivovat všechny tyto geny současně.) Existuje množina konzervativních genů nalezených ve všech MTB: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Obr. 4 Schéma struktury magnetosomu. Obrázek: 2015.igem.org

Magnetický krystal obklopuje membránu.Je tvořena z invaginace cytoplazmatické membrány buňky a sestává z lipidové dvojvrstvy o tloušťce 3-4 nm, ve které jsou vloženy specifické proteiny, které jsou odpovědné za syntézu magnetosomů (obr. 4). Tak jsou nejprve vytvořeny bubliny magnetosomů (vezikuly), které se v nich hromadí.

Poté, co je železo bezpečně přiváděno do magnetosomálního vezikula, začíná další stupeň – nukleace nebo nukleace krystalů, která je regulována bílkovinami specifickými pro MTB. Jsou umístěny na povrchu magnetosomové membrány a uvnitř vezikuly. Krystaly ve zralých magnetosomech jsou podobné velikosti a tvaru.

S použitím speciálního proteinu MamJ jsou vezikuly připojeny k paralelním cytoskeletálním vláknům (obr. 5). Tyto vlákna jsou tvořeny proteinem MamK.

Obr. 5 Stupně tvorby magnetozomového řetězce: a – buňka bez magnetosomů; b – magnetosomové váčky (viz hrnky); v – transport železa do vezikul; g – sestavení řetězce magnetozomů (hvězdičkou – MamJ; tečkovaná čára – vlákna MamK); d – buněčné dělení, magnetické síly se snižují, když jsou buňky ohnuty a jednosměrné prohloubení buněčné stěny; e – řetězce magnetosomů se pohybují do středu buňky podél řetězce MamK. Obrázek: Příroda Recenze Mikrobiologie, 2016, 14, 621-637.

Navigace

Každý magnetosom má magnetický moment a je magnet se severními a jižními póly. Čím je magnetosomový řetězec delší, tím větší je magnetický moment a tím je magnet silnější. Tyto řetězce jsou buněčné senzory, které detekují směr a gradienty magnetických polí.

Tak proč to bakterie potřebují?

Hlavní hypotéza souvisí s hledáním příznivých podmínek. Nepřipomínali jsme, že MTB je mikroaerofilní nebo anaerobní: nemají rádi přebytečný kyslík. Optimální parametry pro ně jsou často v oblasti spodních sedimentů, kde dochází k přechodu mezi zónami bez kyslíku a bez kyslíku. Pomocí magnetosomů jako miniaturního vestavěného kompasu se orientují podél linií magnetického pole a pohybují se pomocí vlajky, která mění hloubku ponoru. Magnetické čáry na většině části zeměkoule (s výjimkou rovníkové zóny) směřují pod úhlem k povrchu, takže pohyb po nich bude nutně vést k dnu. Navíc jsou bakterie orientovány na aerotaktické signály – změnu koncentrace kyslíku. Tento typ pohybu se nazývá magnetotaxa nebo magnetoaerotaxis (obr. 6).

Obr. 6 Magnetické aerotexie.Na severní polokouli má MTB tendenci k magnetickému jihu a je nazývána hledáním severu, na jižní polokouli – jižní hledač

Samozřejmě mechanismus vnímání magnetického pole MTB je mnohem komplikovanější než jednoduchá orientace v silách. Studium kmenů Magnetospirillum magneticum AMB-1 ukázala, že bakterie mohou být také orientovány s ohledem na gradienty magnetických polí pocházejících z různých objektů, ať už se jedná o pravidelný magnet nebo spodní magnetické usazeniny (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Taková citlivost může chránit buňky před magnetizací na zdroje magnetického pole v jejich stanovištích. Například, když se bakterie ukáže být blízko ke skupinám magnetitu vzniklým během zániku jiných podobných bakterií, je pravděpodobné, že její vlastní magnetosomy ji udrží na tomto místě, pokud se nezačne pohybovat v opačném směru.

Názory jsou vyjádřeny, že magnetosomy mohou hrát jinou roli v buňkách, která nesouvisí s orientací. Je nepravděpodobné, že budou provádět funkci skladování železa: magnetosomy jsou přítomné v buňkách, dokonce i s nedostatkem tohoto prvku v prostředí. Bylo navrženo, že biomineralizace magnetozomů může být součástí staré metabolické cesty,ve kterém magnetozomy hrály úlohu ukládání iontů železa používaných jako akceptory nebo elektronové dárce v buněčných energetických procesech (Ekologické zprávy o mikrobiologii, 2017). Tato verze však stále vyžaduje experimentální potvrzení.

Biotechnologické využití magnetosomů

Umělé nanočástice s konstantním nebo indukovaným magnetickým momentem jsou nyní používány v různých průmyslových odvětvích: od komerčních sad pro izolaci biomolekulů k lékům. Pro lékařské aplikace se obvykle používají kapsle nebo bioinertové matrice organických sloučenin. Pod vlivem magnetického pole se pohybují po těle a provádějí různé funkce.: vázat na buňky, dodat drogy atd.

Jsou magnetické nanočástice pro tělo bezpečné? Ačkoli většina složek živých organismů je slabě diamagnetická, bylo zjištěno, že některé organismy nesou paramagnetické částice (obvykle magnetit). Například magnetitu krystaly jsou přítomny v těle ptáků, některé hmyz, a dokonce i v lidském mozku. Podle jedné teorie se používají pro orientaci v magnetickém poli Země.

Umělé magnetické nanočástice (IMN) vykazují ve srovnání s magnetozomy výrazně větší cytotoxicitu a genotoxicitu a pravděpodobnost nekrózy tkání při použití je mnohem vyšší. Takže čínští vědci provedli experiment, ve kterém byly injikovány IMN nebo magnetozomy do buněčné kultury pigmentového epitelu lidské sítnice (Vědecké zprávy, 2016, 6, 2696). Buňky ošetřené magnetosomy udržovaly normální morfologii, zatímco buňky s IMN byly zničeny. Obě magnetosomy a IMN mají genotoxicitu. Nicméně, poškození způsobené IMN bylo významné a mělo za následek samodestrukci buněk (apoptózu), zatímco u buněk léčených magnetozomy byla obecně potlačena apoptóza.

Je pravděpodobné, že biokompatibilita poskytuje jedinečné vlastnosti magnetosomů: fosfolipidová skořepina, vysoká krystalinita a chemická čistota, silná magnetizace, rovnoměrné rozložení tvaru a velikosti. Předpokládá se, že budou moci zcela nahradit umělé magnetické nanočástice.

Zvažte některé aspekty použití magnetosomů.

Modifikace membrány

Obr. 7 Zavedení různých funkčních skupin do membrány magnetosomů: a – imobilizace enzymů a fluoroforových značek (například zelený fluorescenční protein); b – použití hybridních proteinů (získaných expresí několika "zesítěných" genů, které původně kódovaly jednotlivé proteiny) a značek streptavidinu pro ukotvení biomolekul (DNA nebo protilátek) značených biotinem; v – tvorba komplexů se zlatými částicemi nebo kvantovými tečkami pomocí linkerů DNA; g – použití modifikovaných proteinů magnetosomové membrány a proteinů vázajících imunoglobulin. MM – magnetosomální membrána, Mmp – magnetozomální proteiny, SAV – streptavidin

Magnetozomální membrána, podobná membránám buněk a organel, je přirozeným nosičem mnoha signalizačních molekul. Metody genetického inženýrství umožňují vytvářet magnetosomy s modifikovanou membránou, například s integrovanými proteiny (obr. 7). Proto byly bakteriální magnetosomy použity k imobilizaci dvou enzymů, glukooxidázy a uricasy, které vykazovaly 40krát vyšší aktivitu, než když byly imobilizovány na umělých magnetických částicíchAplikovaná mikrobiologie a biotechnologie, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnezomy s protilátkami imobilizovanými na povrchu mohou být použity pro enzýmové imunoanalýzy včetně detekce alergenů a epiteliálních buněk karcinomu. Pokud jsou magnetozomy potaženy protilátkami specifickými pro určité buňky, mohou být tyto buňky izolovány přímo z biologických tekutin: magnetický štítk umožňuje jejich snadné sestavení.

Réžní dodávka léků

Existují experimenty, při kterých je lék dodáván do nádoru nikoli pomocí magnetosomů, ale celých buněk MTB (Přírodní nanotechnologie, 2016, 11, 941-947). K napětím buněk Magnetococcus marinus MC-1 přiložil asi 70 nanoliposomů naložených s léčivem a tyto bakterie byly zavedeny do imunodeficientních myší, které byly vakcinovány nádory. Pod magnetickou kontrolou do tumoru proniklo až 55% buněk MC-1. V tomto případě je také pozoruhodné, že hypoxie – nedostatek kyslíku – je charakteristický pro nádorové tkáně, a proto použití mikroorganismů, které vykazují magneto-aerotaktické chování, může terapii mnohem účinnější.

Dodávání genů

Atraktivní moderní přístup k dosažení antigenu specifické imunity – tzv. DNA vakcíny: DNA se specifickými geny je zavedena do těla, jejichž produkty vyvolávají ochranné reakce těla.V současnosti však neexistuje jednoduchý a účinný systém pro podávání DNA vakcín do buněk prezentujících antigen. Magnetosomy jsou pro tuto roli dobrým uchazečem. Například pokusy byly prováděny na myších, ve kterých DNA vakcína založená na magnetozomech zvýšila systémovou imunitní odpověď proti nádorům a nebyly pozorovány žádné toxické účinky (Genetická terapie, 2012, 19(12), 1187-1195).

Zobrazování magnetickou rezonancí

Díky magnetosomům se očekává revoluce v diagnostice a léčbě mnoha nemocí. Magnetické rezonanční zobrazování (MRI) je zobrazovací metoda založená na principech nukleární magnetické rezonance, používá se především k získání vysoce kvalitních obrazů vnitřních orgánů. U přecitlivělých MRI se běžně používají kontrastní látky, díky nimž je obraz přesnější – například magnetické nanočástice s jednotnou velikostí a tvarem.

Kontrastní účinnost magnetosomů byla studována při vizualizaci vaskulární sítě myší mozku (obr. 8). Dokonce i malá dávka jim umožnila získat dobrý obrázek. Pro srovnání jsme zvolili dva typy kontrastních látek (umělé magnetické nanočástice oxidu železa, magnetosom) a fyziologický roztok jako kontrolu.Největší magnetická aktivita byla pozorována u magnetosomů, kdy byly angiogramy více viditelné (Pokročilé zdravotnické prostředky, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Obr. 8 3D angiogramy myší mozku po injekci klinické dávky kontrastního činidla: a – 100 μl fyziologického roztoku; b – 100 μl oxidu železa, 20 μmol / kg; v – 100 μl magnetosomů MV-1, 20 μmol / kg

Hypertermie

Magnetická tekutá hypertermie (MZHG) je injektáž magnetosomů obsahujících tekutiny přímo do nádoru a následné vytvoření střídavého magnetického pole kolem něj. V tomto případě je nádor zničen teplem rozptýleným magnetickými nanočásticemi a zdravé tkáně se nezahřívají. V experimentu ukázaly magnetozomy vyšší protinádorovou účinnost (při úplném vymizení nádoru) ve srovnání s chemicky syntetizovaným oxidem železa a míra přežití u myší byla významně vyšší (Theranostika, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritické zhodnocení v biotechnologii, 2016; 36(5), 788-802).

Nejen vědy o životě

Magnetosomy se také staly předmětem zájmu geologů, paleontologů a astrobiologů. Faktem je, že v nepřítomnosti jiných zdrojů mohou být magnetosomy téměř jedinými nosiči zbytkové magnetické indukce. Pomocí isotopové analýzy a dalších metod lze posoudit věk sedimentů obsahujících magnetosomy aDošlo v té době ke změnám v magnetickém poli Země? A nakonec – o změně pólů, historii jejich původu, pohybu tektonických desek a mnoha dalších věcech (Pokroky v aplikované mikrobiologii, 2007, 62, 21-62).

Magnetozomy se tak používají v různých oblastech vědy a techniky. Metody kultivace magnetotaktických bakterií se rychle rozvíjejí, produktivita kmenů se neustále zvyšuje. Možná, že v příštích několika desetiletích se bakteriální "nanokompasy" stanou důležitým biotechnologickým produktem spolu s lékařskými izotopy a fluorescenčními bílkovinami.

Literatura
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologie, rozmanitost a vývoj magnetotaktických bakterií // Mikrobiologie a recenze molekulární biologie. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktické bakterie, magnetozomy a jejich aplikace // Mikrobiologický výzkum. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B.H. Lower, D.A. Bazylinski. Bakteriální magnetosom: jedinečná prokaryotická organe // Věstníku molekulární mikrobiologie a biotechnologie. 2013, 23, 63 – 80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetozomální biogeneze v magnetotaktických bakteriích // Mikrobiologie přírody. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktické bakterie: nanorodiče budoucnosti // Kritické recenze v biotechnologii. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:

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