Dnevni magneti

Dnevni magneti

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Kemija i život" № 4, 2018

Postoje mikroorganizmi koji se mogu orijentirati u magnetskom polju – magnetotaktičkim bakterijama. Magnetosomi im pomažu u ovoj – nanometarskoj paramagnetskoj čestici odjevenoj kao lipidna membrana. Ali ne samo bakterije trebaju magnetosome. Ovaj izum, zajedno s antibioticima i CRISPR sustavom za specifično rezanje DNA, lako posuđuje od strane ljudi.

MTB: tko su oni?

Željezo je jedan od dostupnih kemijskih elemenata na planeti i jedan od najvažnijih za žive organizme. Biogeokemijska cirkulacija željeza uključuje dvije glavne reakcije – smanjenje i oksidaciju, tj. Interkonverzija trovalentnog i bivalentnog željeza (Fe3+ ↔ Fe2+).

Željezo je dio enzima i elektronskih nosača koji su uključeni u metaboličke procese, uključujući i one fundamentalne poput fotosinteze, disanje itd. Mikroorganizmi koriste različite oblike željeza u energetskim procesima – kao donatori elektrona ili akceptori.

Međutim, neke su bakterije pronašle drugu upotrebu za ovaj element. Oni proizvode magnetosome – magnetske kristale, prekrivene membranom i funkcioniraju kao navigacijski uređaji.Takve bakterije nazivaju se magnetotaktik. Po prvi puta u časopisu koji je recenziran od strane stručnjaka, 1975. godine, mikrobiolog iz The Woods-Hole Instituta za oceanografiju, Richard Blackmore, opisao ih je. Magnetotaktičke bakterije (MTB) žive u vodenim ekosustavima i mogu se kretati duž linija magnetskog polja. Svi oni su mikroaerofili ili anaerobe, tj. Za život, preferiraju uvjete s malo ili bez kisika.

Sl. 1. Različita morfologija MTB-a: i – vibrio; b, g – štapići; u – cocci; d – spirilla; e – "višestanične" bakterije. slika: Mikrobiološka istraživanja, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologija tih bakterija može biti različita – među njima su spirillis, cocci, štapovi, vibrios (Slika 1). Na primjer, postoje i magnetotaktne "višestanične" bakterije – stanični agregati Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale i Ca, Magnetananas tsingtaoensis. Sposobnost sintetiziranja magnetosoma nije filogenetski karakter, njihovi predstavnici pripadaju različitim filogenetskim skupinama (Slika 2). S druge strane, između jedne klase, pa čak i roda, postoje i MTB i ne-magnetotaktne bakterije.

Magnetosomi, ove jedinstvene organele, sadrže kristale željeznih spojeva veličine nekoliko nanometara. Kristali se mogu sastojati od magnetita Fe3O4 ili greigit Fe3S4, Veličina magnetosoma je približno 35-120 nm, a oblik, veličina i unutarstanična organizacija vrlo su različiti (Slika 3).

Sl. 2. Glavne filogenetske skupine među kojima su otkrivene magnetotaktne bakterije i neke od njihovih predstavnika. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Sl. 3. Obrasci magnetosoma: i – kuboktahedral; bu – izduženi prizmatični; g – zub; d – metak. slika: Priroda Recenzije Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

Biomineralizacija magnetizoma

Trenutno je identificirano više od 40 gena koji kodiraju proteine ​​povezane s sintezom magnetosoma. Svi geni odgovorni za biomineralizaciju magnetosoma skupljaju se na jednom mjestu bakterijskog kromosoma – na takozvanom magnetosomskom genomskom otoku (MAI). Sastoji se od nekoliko operona. (Operon je dio kromosoma s nizom gena čiji proizvodi daju specifičnu staničnu funkciju, na primjer, transport i asimilaciju određene supstance pa je logično istodobno aktivirati sve te gene.) Postoji skup konzervativnih gena koji se nalaze u svim MTB-ima: mama, mamB, mamC, mamD, Mame, mamK, Mamo, mamP, mamQ.

Sl. 4. Dijagram strukture magnetosoma. Slika: 2015.igem.org

Magnetni kristal okružuje membranu.Stvoren je iz invaginacije citoplazmatske membrane stanice i sastoji se od dvoslojne lipidne debljine 3-4 nm, u koje su umetnuti specifični proteini koji su odgovorni za sintezu magnetosoma (Slika 4). Tako se najprije formiraju magnetosomske mjehuriće (vezikule), a zatim se željezo nakuplja unutar njih.

Nakon što je željezo sigurno isporučeno na magnetosomsku veziku, počinje sljedeća faza – nukleacija ili nukleacija kristala, koja je regulirana MTB-specifičnim proteinima. Oni se nalaze na površini magnetosomske membrane i unutar vezikula. Kristali u zrelim magnetosomima slični su u veličini i obliku.

Koristeći poseban MamJ protein, vezikuli su pričvršćeni na paralelne citoskeletne niti (Slika 5). Ove niti formiraju MamK protein.

Sl. 5. Faze formiranja magnetosomskog lanca: i – stanicu bez magnetosoma; b – magnetosomske vezikule (prikazano: krugovi); u – transport željeza u vezikule; g – montaža magnetosomskog lanca (zvjezdica – MamJ; crtkana linija – MamK niti); d – podjela stanica, magnetske sile se smanjuju kada su stanice savijene i jednosmjerno produbljivanje stanične stijenke; e – lanci magnetosoma kreću se do središta ćelije duž MamK niza. slika: Priroda Recenzije Mikrobiologija, 2016, 14, 621-637.

navigacija

Svaki magnetosom ima magnetski moment i magnet je sa sjevernim i južnim polovima. Što je magnetosomski lanac duži, to je veći magnetski trenutak i prema tome je jači magnet. Ovi lanci su stanični senzori koji detektiraju smjer i stupnjeve magnetskih polja.

Pa zašto bakterije to trebaju?

Glavna hipoteza odnosi se na traženje povoljnih uvjeta. Nismo navodno spominjali da je MTB mikroaerofilni ili anaerobni: ne vole suvišak kisika. Optimalni parametri za njih često se nalaze na području dno sedimenata, gdje je prijelaz između kisika i kisika bez zone. Koristeći magnetosome kao minijaturni ugrađeni kompas, oni se orijentiraju duž linija magnetskog polja i pomaknu se pomoću flagele, mijenjajući dubinu ronjenja. Magnetske linije na većem dijelu globusa (osim ekvatorijalne zone) usmjerene su pod kutom prema površini, tako da kretanje po njima nužno vodi do dna. Osim toga, bakterije su orijentirane prema aerataktičkim signalima – promjena koncentracije kisika. Ova vrsta kretanja naziva se magnetotaksija ili magnetoarotaksija (slika 6).

Sl. 6. Magnetna aeroteksija.Na sjevernoj hemisferi, MTB skreće na magnetsku jugu i naziva se tražiteljom sjevera, na južnoj polutki – južnom tražitelju

Naravno, mehanizam percepcije magnetskog polja MTB-a mnogo je složeniji od jednostavne orijentacije duž linije sile. Ispitivanja soja Magnetospirillum magneticum AMB-1 je pokazao da se bakterije također mogu orijentirati s obzirom na gradijente magnetskih polja koja proizlaze iz raznih objekata, bilo da se radi o magnetima ili magnetskim magnetima (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Takva osjetljivost može štititi stanice od magnetizacije do izvora magnetskog polja u njihovim staništima. Na primjer, kada se bakterija ispostavi da je blizu klastera magnetita nastao tijekom izumiranja drugih sličnih bakterija, vjerojatno će se njegovi magnetosomi zadržati na ovom mjestu, ako se ne pomiču u suprotnom smjeru u vremenu.

Mišljenja su izražena da magnetosomi mogu igrati drugačiju ulogu u stanicama koje nisu povezane s orijentacijom. Malo je vjerojatno da oni obavljaju funkciju skladištenja željeza: magnetosomi su prisutni u stanicama, čak i uz nedostatak tog elementa u okolišu. Pretpostavlja se da biomineralizacija magnetosoma može biti dio drevnog metaboličkog puta,u kojem su magnetosomi odigrali ulogu skladištenja iona željeza koji se koriste kao akceptori ili donatori elektrona u procesima stanične energije (Izvješća o mikrobiologiji okoliša, 2017). Međutim, ova inačica još uvijek zahtijeva eksperimentalnu potvrdu.

Biotehnološka uporaba magnetosoma

Umjetne nanočestice s konstantnim ili induciranim magnetskim momentom sada se koriste u različitim industrijama: od komercijalnih setova za izolaciju biomolekula do medicinskih lijekova. Za medicinske primjene obično se stavljaju na kapsule ili bioinertne matrice organskih spojeva. Pod utjecajem magnetskog polja, kreću se po tijelu i izvode različite funkcije.: vezati se na stanice, isporučiti lijekove itd.

Jesu li magnetske nanočestice sigurne za tijelo? Iako je većina komponenata živih organizama slabo diamagnetski, otkriveno je da neki organizmi nose paramagnetske čestice (obično magnetit). Na primjer, kristali magnetita prisutni su u tijelu ptica, nekih insekata, pa čak iu ljudskom mozgu. Prema jednoj teoriji, oni se koriste za orijentaciju u magnetskom polju Zemlje.

Umjetne magnetske nanočestice (IMN) pokazuju značajno veću citotoksičnost i genotoksičnost u usporedbi s magnetosomima, a vjerojatnost nekroze tkiva kada se koristi je znatno veća. Tako su kineski istraživači proveli eksperiment u kojem su IMN ili magnetosomi injektirani u kulturi stanica pigmentne epitela ljudske retine (Znanstvena izvješća, 2016, 6, 2696). Stanice tretirane magnetosomima održavale su normalnu morfologiju, dok su stanice IMN bile uništene. I magnetosomi i IMN imaju genotoksičnost. Međutim, šteta uzrokovana IMN-om bila je značajna i dovela je do samouništenja stanica (apoptoza), dok je u stanicama tretiranim s magnetosomima apoptoza uglavnom bila suzbijana.

Vjerojatno je da biokompatibilnost osigurava jedinstvena svojstva magnetosoma: fosfolipidna ljuska, visoka kristaliničnost i kemijska čistoća, jaka magnetizacija, ravnomjerna raspodjela oblika i veličine. Pretpostavlja se da će moći potpuno zamijeniti umjetne magnetske nanočestice.

Razmotriti neke aspekte korištenja magnetosoma.

Modifikacija membrane

Sl. 7. Uvođenje različitih funkcionalnih skupina u membranu magnetosoma: i – imobilizacija enzima i fluorofora naljepnica (na primjer, zeleni fluorescentni protein); b – upotreba hibridnih proteina (dobivenih ekspresijom nekoliko "umreženih" gena koji su izvorno kodirani pojedinačni proteini) i streptavidinskih naljepnica za sidrenje biomolekula (DNA ili antitijela) obilježenih biotinom; u – formiranje kompleksa sa zlatnim česticama ili kvantnim točkama pomoću DNA vezera; g – upotrebu modificiranih proteina magnetosomnih membrana i proteina koji vežu imunoglobulin. MM – magnetosomska membrana, MMP – magnetosomske proteine, SAV streptavidin

Magnetosomska membrana, slična membranskim stanicama i organelima, prirodni je nositelj mnogih signalnih molekula. Metode genetskog inženjerstva omogućuju vam stvaranje magnetosoma s modificiranom membranom, na primjer, s integriranim proteinima (Slika 7). Tako su bakterijski magnetosomi upotrijebljeni za imobilizaciju dva enzima, glukoksidaze i urikaze, koji pokazuju 40 puta više aktivnosti nego kad su imobilizirani na umjetne magnetske čestice (Primijenjena mikrobiologija i biotehnologija, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomi s protutijelima imobiliziranim na površini mogu se koristiti za enzimske imunojeze, uključujući detekciju alergena i stanica epitelnih karcinoma. Ako su magnetosomi obloženi antitijelima specifičnim za određene stanice, te stanice mogu se izolirati izravno iz bioloških tekućina: magnetna oznaka ih čini jednostavnim za sastavljanje.

Usmjerena isporuka lijeka

Postoje pokusi u kojima se lijek ne isporučuje u tumor, već magnetosomi, već čitavim MTB stanicama (Priroda Nanotehnologija, 2016, 11, 941-947). Da napravi stanice Magnetococcus marinus MC-1 je vezao oko 70 nanoliposoma opterećenih lijekom i uveo te bakterije imunodefikantnim miševima, koji su cijepljeni tumorima. Pod magnetskom kontrolom, do 55% MC-1 stanica prodire u tumor. U ovom slučaju, također je važno napomenuti da je hipoksija – nedostatak kisika – karakteristično za tkivo tumora, stoga uporaba mikroorganizama koji pokazuju magneto-aerataktičko ponašanje može učiniti terapiju mnogo učinkovitijom.

Dostava gena

Atraktivan suvremeni pristup postizanju antigenskog specifičnog imuniteta – tzv. DNA cjepiva: DNK s specifičnim genima unosi se u tijelo, čiji proizvodi uzrokuju zaštitne reakcije tijela.Međutim, trenutno ne postoji jednostavan i učinkovit sustav za isporuku DNA cjepiva u stanice koje predstavljaju antigen. Magnetosomi su dobar kandidat za ovu ulogu. Na primjer, pokusi su provedeni na miševima kod kojih je DNA cjepivo na osnovi magnetosoma povećao sistemski imuni odgovor protiv tumora, a nije se opažao toksični učinak (Genska terapija, 2012, 19(12), 1187-1195).

Snimanje magnetske rezonancije

Zahvaljujući magnetosomima očekuje se revolucija u dijagnozi i liječenju mnogih bolesti. Magnetska rezonancija (MRI) je metoda vizualizacije koja se temelji na načelima nuklearne magnetske rezonancije, primarno se koristi za dobivanje visoko kvalitetnih slika unutarnjih organa. Za preosjetljive MRI, obično se koriste kontrastni agensi koji čine sliku preciznijom – na primjer, magnetske nanočestice jednake veličine i oblika.

Kontrastna učinkovitost magnetosoma proučavana je u vizualizaciji vaskularne mreže mišjeg mozga (Slika 8). Čak je i mala doza omogućila dobru sliku. Za usporedbu, odabrali smo dvije vrste kontrastnih sredstava (umjetne magnetske nanočestice željeznog oksida, magnetosoma) i slane otopine kao kontrolu.Najveća magnetska aktivnost promatrana je u magnetosomima, angiogrami su bili vidljiviji (Napredni medicinski pribor, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Sl. 8. 3D angiogram mišjeg mozga nakon injekcije kliničke doze kontrastnog sredstva: i – 100 ul slane otopine; b – 100 ul željeznog oksida, 20 umol / kg; u – 100 ul magnetosoma MV-1, 20 umol / kg

hipertermija

Magnetic Liquid Hyperthermia (MZHG) je injekcija tekućine koja sadrži magnetosome izravno u tumor, a potom generiranje izmjeničnog magnetskog polja oko nje. U tom slučaju, tumor uništava toplina koju prenose magnetske nanočestice, a zdrava tkiva se ne zagrijavaju. U eksperimentu, magnetosomi pokazali su veću antitumorsku učinkovitost (s potpunim nestankom tumora) u usporedbi s kemijski sintetiziranim željeznim oksidom, a brzina preživljavanja miševa bila je znatno veća (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kritički pregled u biotehnologiji, 2016; 36(5), 788-802).

Ne samo znanosti o životu

Magnetosomi su također postali predmetom interesa geologa, paleontologa i astrobiologa. Činjenica je da u nedostatku drugih izvora, magnetosomi mogu biti gotovo jedini nositelji rezidualne magnetske indukcije. Koristeći izotopsku analizu i druge metode, može se odrediti dob sedimenata koji sadrže magnetosome, iJesu li se promjene pojavile u Zemljinom magnetskom polju u to vrijeme? I na kraju – o promjeni stupova, povijesti njihovog porijekla, kretanju tektonskih ploča i mnogih drugih stvari (Napredak u primijenjenoj mikrobiologiji, 2007, 62, 21-62).

Tako se magnetosomi koriste u različitim područjima znanosti i tehnologije. Postupci kultiviranja magnetotaktnih bakterija brzo se razvijaju, produktivnost sojeva kontinuirano raste. Možda će u narednih nekoliko desetljeća bakterijske "nanokomplazni" postati važan biotehnološki proizvod, zajedno s medicinskim izotopima i fluorescentnim proteinima.

književnost
1. C.T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologija, raznolikost i evolucija magnetotaktičkih bakterija // Mikrobiologija i molekularna biologija, 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktičke bakterije, magnetosomi i njihova primjena // Mikrobiološka istraživanja, 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakterijski magnetosom: jedinstvena prokariotska organa // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Biogeneza magnetnoće u magnetotaktnim bakterijama // Pregled mikrobiologije prirode, 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktičke bakterije: nanodrivers budućnosti // Kritički osvrti u biotehnologiji, 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: :???: :?: :!: