Magneți vii

Magneți vii

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Chimia și viața" №4, 2018

Există microorganisme capabile să se orienteze într-un câmp magnetic – bacterii magnetotactice. Magnetozomii îi ajută în aceste particule paramagnetice nanoscale, îmbrăcate ca o membrană lipidică. Dar nu numai bacteriile au nevoie de magnetozomi. Această invenție a lor, împreună cu antibioticele și sistemul CRISPR pentru tăierea specifică a ADN-ului, este ușor împrumutat de către oameni.

MTB: cine sunt ei?

Fierul este unul dintre cele mai accesibile elemente chimice de pe planetă și unul dintre cele mai importante pentru organismele vii. Circulația biogeochimică a fierului implică două reacții principale – reducerea și oxidarea, adică interconversia fierului trivalent și bivalent (Fe3+ ↔ Fe2+).

Fierul face parte din enzime și purtători de electroni care sunt implicați în procesele metabolice, inclusiv în cele fundamentale, cum ar fi fotosinteza, respirația etc. Microorganismele utilizează diferite forme de fier în procesele energetice – ca donatori de electroni sau acceptori.

Cu toate acestea, unele bacterii au găsit o altă utilizare a acestui element. Ele produc magnetozomi – cristale magnetice, acoperite cu o membrană și funcționând ca dispozitive de navigație.Astfel de bacterii se numesc magnetotactice. Pentru prima dată într-un jurnal revizuit de colegi, un microbiolog de la Institutul de Oceanografie Woods-Hole, Richard Blackmore, le-a descris în 1975. Bacteriile magnetotactice (MTB) trăiesc în ecosistemele acvatice și se pot deplasa de-a lungul liniilor de câmp magnetic. Toate acestea sunt microaerofile sau anaerobe, adică, pentru viață, preferă condiții cu conținut scăzut de oxigen sau fără conținut de oxigen.

Fig. 1. Diverse morfologii ale MTB: și – vibrio; b, g – bastoane; în – cocci; d – spirila; e – bacterii "multicelulare". Imagine: Cercetări microbiologice, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologia acestor bacterii poate fi diferită – între acestea se numără spirillis, cocci, bastoane, vibrios (fig.1). Există de asemenea bacterii "multicelulare" magnetotactice – agregate celulare, de exemplu candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale și Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Capacitatea de sintetizare a magnetozomilor nu este o trăsătură filogenetică, reprezentanții lor aparțin unor grupuri filogenetice diferite (figura 2). Pe de altă parte, între o clasă și chiar genul există atât bacterii MTB cât și bacterii non-magnetotactice.

Magnetozomii, aceste organolepte unice, conțin cristale de compuși de fier de dimensiuni mai mari de nanometri. Cristalele pot consta din magnetiți Fe3O4 sau greutate Fe3S4. Dimensiunea magnetozomilor este de aproximativ 35-120 nm, iar forma, mărimea și organizarea intracelulară sunt foarte diverse (Figura 3).

Fig. 2. Principalele grupuri filogenetice printre care s-au descoperit bacterii magnetotactice și unii dintre reprezentanții lor. Jurnalul de Microbiologie Moleculară și Biotehnologie. 2013, 23(1-2): 63-80.

Fig. 3. Forme de magnetozomi: și – cuboctahedral; bîn – prismatic alungit; g – dinte; d – bullet. Imagine: Natura Recenzii Microbiologie, 2016, 14, 621-637.

Magnezomul biomineralizării

În prezent, au fost identificate mai mult de 40 de gene care codifică proteine ​​asociate cu sinteza magnetozomilor. Toate genele responsabile pentru biomineralizarea magnetozomilor sunt colectate într-un singur loc al cromozomului bacterian – în așa numita insulă genomică de magnitozomi (MAI). Se compune din mai mulți operoni. (Un operon face parte dintr-un cromozom cu un set de gene al căror produs asigură o funcție specifică a celulei, de exemplu transportul și asimilarea unei anumite substanțe, deci este logic să activați toate aceste gene simultan.) Există un set de gene conservatoare găsite în toate MTB-urile: Mamá, mamB, mamC, MAMD, MAME, mamK, Mamo, MAMP, mamQ.

Fig. 4. Diagrama structurii magnetozomului. Imagine: 2015.igem.org

Cristalul magnetic înconjoară membrana.Se formează din invaginația membranei citoplasmice a celulei și constă dintr-o bilatilă lipidică cu grosimea de 3-4 nm, în care sunt inserate proteine ​​specifice care sunt responsabile pentru sinteza magnetozomilor (Figura 4). Astfel, se formează mai întâi bule de magnetozomă (vezicule), apoi se acumulează fier în interiorul lor.

După ce fierul a fost transportat în siguranță în vezicula magnetozomală, începe etapa următoare – nuclearea sau nuclearea cristalelor, care este reglată de proteine ​​specifice MTB. Ele sunt situate pe suprafața membranei magnetozomului și în interiorul veziculei. Cristalele din magnetozoamele mature sunt similare în mărime și formă.

Folosind o proteină specială MamJ, veziculele sunt atașate la filamentele citoscheletale paralele (Figura 5). Aceste fire sunt formate din proteina MamK.

Fig. 5. Etapele formării lanțului de magnetozomi: și – o celulă fără magnetozomi; b – vezicule de magnetozomi (prezentate cerc); în – transportul fierului în vezicule; g – asamblarea lanțului de magnetozomi (asterisc – MamJ; linia punctată – fire de MamK); d – diviziunea celulară, forțele magnetice scad atunci când celulele sunt îndoite și adâncimea unidirecțională a peretelui celular; e – lanțurile de magnetozomi se mișcă în centrul celulei de-a lungul șirului MamK. Imagine: Natura Recenzii Microbiologie, 2016, 14, 621-637.

navigare

Fiecare magnetozom are un moment magnetic și este un magnet cu poli de nord și sud. Cu cât lanțul magnetozomului este mai lung, cu atât este mai mare momentul magnetic și, în consecință, cu cât magnetul este mai puternic. Aceste lanțuri sunt senzori celulari care detectează direcția și gradientele câmpurilor magnetice.

Deci, de ce o nevoie de bacterii?

Principala ipoteză este legată de căutarea unor condiții favorabile. Nu am mentionat ocazional faptul ca MTB este microaerofil sau anaerob: nu ii place excesul de oxigen. Parametrii optimi pentru ei sunt adesea in zona sedimentelor de fund, unde exista o tranzitie intre zonele de oxigen si oxigen. Folosind magnetozoamele sub forma unei busole miniaturale, se orienteaza de-a lungul liniilor de camp magnetic si se misca cu ajutorul flagelului, variind adancimea scufundarii. Liniile magnetice în cea mai mare parte a globului (cu excepția zonei ecuatoriale) sunt îndreptate la un unghi față de suprafață, astfel încât mișcarea de-a lungul acestora va duce în mod necesar la fund. În plus, bacteriile sunt orientate către semnale aerotactice – o schimbare a concentrației de oxigen. Acest tip de mișcare se numește magnetotaxis sau magnetoaerotaxis (fig.6).

Fig. 6. Aerotexul magnetic.În emisfera nordică, MTB se îndreaptă spre sudul magnetic și se numește căutător de nord, în emisfera sudică – căutătorul de sud

Desigur, mecanismul de percepție a câmpului magnetic al MTB este mult mai complicat decât orientarea simplă în direcția forței. Studii de tulpină Magnetospirillum magneticum AMB-1 a arătat că bacteriile pot fi, de asemenea, orientate în ceea ce privește gradienții câmpurilor magnetice provenite din diverse obiecte, fie că este vorba de un magnet regulat sau de depozitele magnetice de fund (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Această sensibilitate poate proteja celulele de magnetizare la sursele câmpului magnetic în habitatele lor. De exemplu, atunci când o bacterie se dovedește a fi aproape de grupurile de magnetit formate în timpul extincției altor bacterii similare, este probabil ca propriile magnetozomi să o păstreze în acest loc dacă nu începe să se miște în direcția opusă în timp.

Se exprima opinia că magnetozomii pot juca un rol diferit în celulele care nu sunt legate de orientare. Este puțin probabil ca aceștia să îndeplinească funcția de stocare a fierului: magnetozomii sunt prezenți în celule, chiar și cu o deficiență a acestui element în mediu. Sa sugerat că biomineralizarea magnetozomilor poate face parte dintr-o cale metabolică veche,în care magnetozomii au jucat rolul stocării ionilor de fier utilizați ca acceptori sau donatori de electroni în procesele energetice celulare (Rapoartele privind microbiologia mediului, 2017). Cu toate acestea, această versiune are nevoie de confirmare experimentală.

Utilizarea biotehnologică a magnetozomilor

Nanoparticulele artificiale cu un moment magnetic constant sau indus sunt acum utilizate într-o varietate de industrii: de la truse comerciale pentru izolarea biomoleculelor la medicamente. Pentru aplicațiile medicale, acestea sunt, de obicei, puse pe capsule sau matrice de bioinert de compuși organici. Sub influența unui câmp magnetic, se deplasează în jurul corpului și efectuează diverse funcții.: se leagă de celule, dă droguri etc.

Sunt nanoparticulele magnetice sigure pentru organism? Deși majoritatea componentelor organismelor vii sunt slab diamagnetice, sa constatat că unele organisme poartă particule paramagnetice (de obicei magneți). De exemplu, cristalele de magnetit sunt prezente în corpul păsărilor, al unor insecte și chiar și în creierul uman. Conform unei teorii, ele sunt folosite pentru orientare în câmpul magnetic al Pământului.

Nanoparticulele magnetice artificiale (IMN) demonstrează cytotoxicitate și genotoxicitate semnificativ mai mari comparativ cu magnetozomii, iar probabilitatea de necroză tisulară atunci când este utilizată este mult mai mare. Astfel, cercetătorii chinezi au efectuat un experiment în care IMN sau magnetozomii au fost injectați în cultura celulară a epiteliului pigmentar al retinei umane (Rapoarte științifice, 2016, 6, 2696). Celulele tratate cu magnetozomi au menținut morfologia normală, în timp ce celulele cu IMN au fost distruse. Ambele magnetozomi și IMN au genotoxicitate. Cu toate acestea, deteriorarea cauzată de IMN a fost semnificativă și a determinat auto-distrugerea celulelor (apoptoza), în timp ce în celulele tratate cu magnetozomi, apoptoza a fost, în general, suprimată.

Este posibil ca biocompatibilitatea să furnizeze proprietățile unice ale magnetozomilor: coajă fosfolipidică, cristalinitate ridicată și puritate chimică, magnetizare puternică, distribuție uniformă a formei și mărimii. Se presupune că acestea vor putea înlocui complet nanoparticulele magnetice artificiale.

Luați în considerare unele aspecte ale utilizării magnetozomilor.

Modificarea membranei

Fig. 7. Introducerea diverselor grupuri funcționale în membrana magnetozomilor: și – imobilizarea enzimelor și etichetelor fluorofor (de exemplu, proteine ​​fluorescente verde); b – utilizarea proteinelor hibride (obținute prin exprimarea mai multor gene "încrucișate" care codifică inițial proteinele individuale) și etichetele de streptavidină pentru ancorarea biomoleculelor (ADN sau anticorpilor) marcate cu biotină; în – formarea de complexe cu particule de aur sau puncte cuantice folosind linkeri ADN; g – utilizarea proteinelor modificate ale membranei magnetozomale și a proteinelor care leagă imunoglobulinele. MM – membrană de magnetozom, MMP – proteine ​​magnetozomale, SAV – streptavidin

Membrana de magnetozom, similară cu membranele celulelor și organele, este un purtător natural pentru multe molecule de semnalizare. Metodele de inginerie genetică vă permit să creați magnetozomi cu o membrană modificată, de exemplu, cu proteine ​​integrate (figura 7). Astfel, magnetozomii bacterieni au fost utilizați pentru a imobiliza două enzime, glucozoxidază și uricază, care au prezentat o activitate de 40 de ori mai mare decât atunci când au fost imobilizate pe particule magnetice artificialeMicrobiologie aplicată și biotehnologie, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetozomii cu anticorpi imobilizați pe suprafață pot fi utilizați pentru teste imunologice enzimatice, incluzând detectarea alergenilor și a celulelor carcinomului epitelial. Dacă magnetozomii sunt acoperite cu anticorpi specifici pentru anumite celule, aceste celule pot fi izolate direct de la fluide biologice: o etichetă magnetică le face ușor de asamblat.

Direcționarea livrării de droguri

Există experimente în care medicamentul este transmis tumorii nu prin magnetozomi, ci prin celule întregi MTB (Natură Nanotehnologia, 2016, 11, 941-947). Pentru a tulpina celulele Magnetococcus marinus MC-1 a atașat aproximativ 70 de nanolipozomi încărcați cu medicamente și a introdus aceste bacterii la șoarecii imunodeficienți care au inoculat tumori. Sub control magnetic, până la 55% din celulele MC-1 au pătruns în tumoare. În acest caz, este demn de remarcat faptul că deficitul de hipoxie – oxigen – este caracteristic țesuturilor tumorale, prin urmare, utilizarea microorganismelor care manifestă un comportament magneto-aerotactic poate face terapia mult mai eficientă.

Furnizarea de gene

O abordare modernă atractivă pentru obținerea imunității specifice antigenului – așa-numitele vaccinuri ADN: ADN-ul cu gene specifice este introdus în organism, produsele ale căror reacții de protecție provoacă organismului.Cu toate acestea, în prezent nu există un sistem ușor și eficient pentru administrarea vaccinurilor ADN în celulele care prezintă antigenul. Magnetozomii sunt un bun pretendent pentru acest rol. De exemplu, au fost efectuate experimente pe șoareci în care vaccinul ADN bazat pe magnetozomi a crescut răspunsul imun sistemic împotriva tumorilor și nu au fost observate efecte toxice (Terapie genetică, 2012, 19(12), 1187-1195).

Imagistica prin rezonanță magnetică

Datorită magnetozomilor, este de așteptat o revoluție în diagnosticarea și tratamentul multor boli. Imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) este o metodă de imagistică bazată pe principiile rezonanței magnetice nucleare, fiind folosită în principal pentru a obține imagini de înaltă calitate ale organelor interne. Pentru RMN hipersensibil, agenții de contrast sunt utilizați în mod obișnuit pentru a face imaginea mai exactă – de exemplu, nanoparticule magnetice cu dimensiuni și forme uniforme.

Eficiența contrastanței magnetozomilor a fost studiată la vizualizarea rețelei vasculare a creierului de șoarece (figura 8). Chiar și o mică doză dintre ei a permis să obțină o imagine bună. Pentru comparație, am ales două tipuri de agenți de contrast (nanoparticule magnetice artificiale de oxid de fier, un magnetozom) și soluție salină ca control.Cea mai mare activitate magnetică a fost observată în magnetozomi, respectiv, angiogramele au fost mai vizibile (Produse medicale avansate, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Fig. 8. 3D-angiograme ale creierului de șoarece după injectarea unei doze clinice de agent de contrast: și – 100 pl de soluție salină; b – 100 μl de oxid de fier, 20 μmol / kg; în – 100 pl de magnetozomi MV-1, 20 μmol / kg

hipertermie

Hipertermia lichidă magnetică (MZHG) este injectarea unui magnetosom care conține lichid direct într-o tumoare și apoi generarea unui câmp magnetic alternativ în jurul acestuia. În acest caz, tumoarea este distrusă de căldura disipată de nanoparticule magnetice, iar țesuturile sănătoase nu se încălzesc. În experiment, magnetozomii au demonstrat o eficacitate antitumorală mai mare (cu dispariția completă a tumorii) comparativ cu oxidul de fier sintetizat chimic, iar rata de supraviețuire a șoarecilor a fost semnificativ mai mare (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Analiza critică în biotehnologie, 2016; 36(5), 788-802).

Nu numai științele vieții

Magnetozomii au devenit, de asemenea, subiectul interesului geologilor, paleontologilor și astrobiologilor. Faptul este că, în absența altor surse, magnetozomii pot fi aproape singurii purtători ai inducției magnetice reziduale. Folosind analiza izotopică și alte metode se poate judeca vârsta sedimentelor care conțin magnetozomi șiAu apărut schimbări în câmpul magnetic al Pământului în acel moment? Și în cele din urmă – despre schimbarea polilor, istoria originii lor, mișcarea plăcilor tectonice și multe alte lucruri (Avansuri în Microbiologia Aplicată, 2007, 62, 21-62).

Astfel, magnetozomii sunt utilizați în diferite domenii ale științei și tehnologiei. Metodele de cultivare a bacteriilor magnetotactice se dezvoltă rapid, productivitatea tulpinilor este în continuă creștere. Poate că în următoarele decenii, "nanocompasiile" bacteriene vor deveni un produs biotehnologic important, alături de izotopi medicali și proteine ​​fluorescente.

literatură
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ecologie, diversitate și evoluție a bacteriilor magnetotactice // Microbiologie și Biologie Moleculară Recenzii. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetozomi magnetotactic, magnetozomi și aplicarea lor // Cercetări microbiologice. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Magnetozomul bacterian: o organelle procariotice unice // Jurnalul de Microbiologie Moleculară și Biotehnologie. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetozom biogeneza în bacterii magnetotactice // Nature Review Microbiologie. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Bacteriile magnetotactice: nanodriversele viitorului // Recenzii critice în biotehnologie. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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