Magnet yang hidup

Magnet yang hidup

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Kimia dan Kehidupan" №4, 2018

Ada mikroorganisma yang mampu mengasingkan diri mereka dalam medan magnet – bakteri magnetotaktik. Magnetosomes membantu mereka dalam hal ini – partikel paramagnetic nanoscale yang dipakai sebagai membran lipid. Tetapi bukan sahaja bakteria memerlukan magnetosomes. Penciptaan mereka, bersama-sama dengan antibiotik dan sistem CRISPR untuk pemotongan DNA tertentu, mudah dipinjam oleh orang.

MTB: siapa mereka?

Besi adalah salah satu elemen kimia yang paling mudah diakses di planet ini dan salah satu yang paling penting untuk organisma hidup. Peredaran biogeokimia besi melibatkan dua tindak balas utama – pengurangan dan pengoksidaan, iaitu, interconversion besi trivalen dan bivalent (Fe3+ ↔ Fe2+).

Besi adalah sebahagian daripada enzim dan pembawa elektron yang terlibat dalam proses metabolik, termasuk yang penting seperti fotosintesis, pernafasan, dan sebagainya. Mikroorganisma menggunakan pelbagai bentuk besi dalam proses tenaga – sebagai penderma elektron atau penerima.

Walau bagaimanapun, sesetengah bakteria telah menemui penggunaan lain untuk elemen ini. Mereka menghasilkan magnetosom – kristal magnet, ditutup dengan membran dan berfungsi sebagai peranti navigasi.Bakteria tersebut dipanggil magnetotaktik. Buat pertama kalinya dalam jurnal yang dikaji semula, ahli mikrobiologi dari Institut Oseanografi Woods-Hole, Richard Blackmore, menggambarkan mereka pada tahun 1975. Bakteria magnetotaktik (MTB) hidup dalam ekosistem akuatik dan boleh bergerak sepanjang jalur medan magnet. Kesemua mereka adalah microaerophiles atau anaerobes, iaitu, untuk kehidupan, mereka lebih suka keadaan dengan kandungan oksigen sedikit atau tidak.

Rajah. 1. Morfologi pelbagai MTB: a – vibrio; b, g – tongkat; dalam – cocci; d – spirilla; e – bakteria "multiselular". Imej: Penyelidikan Mikrobiologi, 2012, 167(9): 507-519.

Morfologi bakteria ini boleh berbeza – di antaranya adalah spirillis, cocci, tongkat, getaran (Rajah 1). Terdapat juga bakterotaktik "multiselular" bakteria – agregat sel, contohnya Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale dan Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Keupayaan untuk mensintesiskan magnetosom bukanlah sifat filogenetik, wakil mereka tergolong dalam kumpulan filogenetik yang berbeza (Rajah 2). Sebaliknya, di antara satu kelas dan genusnya terdapat bakteria MTB dan bukan magnetotaktik.

Magnetosomes, organel unik ini, mengandungi kristal sebatian besi beberapa nanometer dalam saiz. Kristal mungkin terdiri daripada magnetit Fe3O4 atau greigit Fe3S4. Saiz magnetosom adalah kira-kira 35-120 nm, dan bentuk, saiz, dan organisasi intraselular sangat pelbagai (Rajah 3).

Rajah. 2 Kumpulan filogenetik utama di antaranya bakteria magnetotaktik dan beberapa wakil mereka ditemui. Jurnal Mikrobiologi Molekul dan Bioteknologi. 2013, 23(1-2): 63-80.

Rajah. 3 Bentuk magnetosomes: a – cuboctahedral; bdalam – prismatic memanjang; g – Gigi; d – peluru. Imej: Ulasan Alam Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

Biominalisasi Magnetosom

Pada masa ini, lebih daripada 40 gen telah dikenal pasti yang menyandikan protein yang berkaitan dengan sintesis magnetosom. Semua gen yang bertanggungjawab untuk penggalian biomassa magnetosom dikumpulkan di satu tempat kromosom bakteria – di pulau genomik magnetosom yang disebut (MAI). Ia terdiri daripada beberapa pengendali. (Operon adalah sebahagian daripada kromosom dengan satu set gen yang produknya menyediakan fungsi sel tertentu, contohnya, pengangkutan dan asimilasi bahan tertentu, jadi ia adalah logik untuk mengaktifkan semua gen ini secara bersamaan.) Terdapat satu set gen konservatif yang terdapat di semua MTB: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Rajah. 4 Gambarajah struktur magnetosom. Imej: 2015.igem.org

Kristal magnet mengelilingi membran.Ia terbentuk daripada pencerobohan membran sitoplasma sel dan terdiri daripada lipid bilayer tebal 3-4 nm, di mana protein tertentu dimasukkan yang bertanggungjawab untuk sintesis magnetosom (Rajah 4). Oleh itu, gelembung magnetosom (vesikel) terbentuk pertama, maka besi terkumpul di dalamnya.

Selepas besi selamat dihantar ke vesicle magnetosomal, peringkat seterusnya bermula – nukleasi, atau nukleasi kristal, yang dikawal oleh protein spesifik MTB. Mereka terletak di permukaan membran magnetosom dan di dalam vesicle. Kristal dalam magnetosom matang adalah serupa dengan saiz dan bentuk.

Menggunakan protein MamJ khas, vesikel dilampirkan kepada filamen sitoskeletal selari (Rajah 5). Benang ini dibentuk oleh protein MamK.

Rajah. 5 Tahap pembentukan rantaian magnetosom: a – sel tanpa magnetosom; b – vesikel magnetosom (ditunjukkan cawan); dalam – pengangkutan besi ke vesikel; g – pemasangan rantai magnetosom (asterisk – MamJ; garis putus-putus – Matematik MamK); d – pembahagian sel, kekuatan magnet berkurang apabila sel bengkok dan pergeseran dinding sel tanpa arah; e – rantai magnetosomes bergerak ke pusat sel sepanjang rentetan MamK. Imej: Ulasan Alam Mikrobiologi, 2016, 14, 621-637.

Navigasi

Setiap magnetosom mempunyai momen magnetik dan magnet dengan kutub utara dan selatan. Semakin panjang rantaian magnetosom, semakin besar momen magnetik dan, dengan itu, semakin kuat magnetnya. Rantai ini adalah sensor selular yang mengesan arah dan kecerunan medan magnet.

Jadi mengapa bakteria memerlukannya?

Hipotesis utama adalah berkaitan dengan carian untuk keadaan yang menggalakkan. Kami tidak menyedari bahawa MTB adalah mikroaerofilik atau anaerobik: mereka tidak suka oksigen berlebihan. Parameter optimum bagi mereka sering di kawasan sedimen bawah, di mana terdapat peralihan antara zon oksigen dan oksigen bebas. Menggunakan magnetosomes sebagai kompas kecil terbina dalam, mereka mengarahkan diri di sepanjang garis medan magnet dan bergerak dengan bantuan flagella, memvariasikan kedalaman menyelam. Garis magnetik di sebahagian besar dunia (kecuali zon khatulistiwa) diarahkan pada sudut ke permukaan, maka pergerakan di sepanjang mereka semestinya membawa ke bahagian bawah. Selain itu, bakteria berorientasikan ke arah isyarat aerotactic – perubahan kepekatan oksigen. Pergerakan jenis ini dipanggil magnetotaxis atau magnetoaerotaxis (Rajah 6).

Rajah. 6 Aeroteksis magnetik.Di hemisfera utara, MTB cenderung ke selatan magnetik dan dipanggil pencari utara, di hemisfera selatan – pencari selatan

Sudah tentu, mekanisme persepsi medan magnet MTB jauh lebih rumit daripada orientasi mudah di sepanjang garis daya. Kajian terikan Magnetospirillum magnetum AMB-1 menunjukkan bahawa bakteria juga boleh berorientasikan dengan kecerunan medan magnet yang berpunca dari pelbagai objek, sama ada magnet biasa atau deposit magnetik bawah (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Kepekaan sedemikian boleh melindungi sel-sel dari magnetisasi kepada sumber medan magnet di habitatnya. Sebagai contoh, apabila bakterium ternyata hampir kepada kluster magnetit yang terbentuk semasa kepupusan bakteria yang serupa, kemungkinan magnetosom sendiri akan menyimpannya di tempat ini jika ia tidak mula bergerak ke arah yang bertentangan dalam masa.

Pendapat dinyatakan bahawa magnetosom boleh memainkan peranan yang berbeza dalam sel yang tidak berkaitan dengan orientasi. Tidak mungkin mereka melakukan fungsi penyimpanan besi: magnetosom hadir dalam sel-sel, walaupun dengan kekurangan unsur ini dalam alam sekitar. Telah dicadangkan bahawa biominalisasi magnetosom boleh menjadi sebahagian daripada laluan metabolik purba,di mana magnetosomes memainkan peranan penyimpanan ion besi yang digunakan sebagai penderma atau penderma elektron dalam proses tenaga selLaporan Mikrobiologi Alam Sekitar, 2017). Walau bagaimanapun, versi ini masih memerlukan pengesahan eksperimen.

Penggunaan bioseknologi magnetosom

Nanopartikel buatan dengan momen magnet yang berterusan atau yang diinduksi kini digunakan dalam pelbagai industri: dari kit komersil untuk pengasingan biomolekul kepada ubat-ubatan perubatan. Bagi aplikasi perubatan, mereka biasanya menggunakan kapsul atau matriks bioinert sebatian organik. Di bawah pengaruh medan magnet, mereka bergerak di sekitar badan dan menjalankan pelbagai fungsi.: mengikat sel, menyampaikan dadah, dan lain-lain

Adakah nanopartikel magnet selamat untuk badan? Walaupun kebanyakan komponen organisma hidup lemah diamagnetic, didapati bahawa beberapa organisme membawa zarah paramagnet (biasanya magnetit). Sebagai contoh, kristal magnetit terdapat di dalam tubuh burung, serangga, dan juga di dalam otak manusia. Menurut satu teori, ia digunakan untuk orientasi dalam medan magnet bumi.

Nanopartikel magnet tiruan (IMN) menunjukkan sitotoksisiti dan genotoksisiti yang jauh lebih besar berbanding dengan magnetosom, dan kemungkinan necrosis tisu apabila digunakan adalah lebih tinggi. Oleh itu, penyelidik Cina menjalankan eksperimen di mana IMN atau magnetosom disuntik ke dalam budaya sel epitel pigmen retina manusia (Laporan Saintifik, 2016, 6, 2696). Sel-sel yang dirawat dengan magnetosomes mengekalkan morfologi normal, manakala sel-sel dengan IMN telah dimusnahkan. Kedua-dua magnetosom dan IMN mempunyai genotoksisiti. Walau bagaimanapun, kerosakan yang disebabkan oleh IMN adalah penting dan mengakibatkan pemusnahan diri sel (apoptosis), sedangkan dalam sel yang dirawat dengan magnetosom, apoptosis pada umumnya ditindas.

Ia mungkin bahawa biokompatibiliti memberikan sifat unik magnetosomes: shell fosfolipid, kristalografi yang tinggi dan kemurnian kimia, magnetisasi kuat, pengedaran seragam bentuk dan saiz seragam. Dianggap bahawa mereka akan dapat menggantikan sepenuhnya nanopartikel magnet buatan.

Pertimbangkan beberapa aspek penggunaan magnetosomes.

Pengubahsuaian membran

Rajah. 7 Pengenalan pelbagai kumpulan berfungsi ke dalam membran magnetosomes: a – immobilisasi enzim dan label fluorophore (contohnya, protein neon hijau); b – penggunaan protein hibrid (diperolehi dengan ungkapan beberapa gen "bersilang" yang asalnya mengodkan protein individu) dan label streptavidin untuk penambatan biomolekul (DNA atau antibodi) yang dilabel dengan biotin; dalam – pembentukan kompleks dengan zarah emas atau titik kuantum menggunakan penghubung DNA; g – penggunaan protein membran magnetosom yang diubahsuai dan protein imunoglobulin yang mengikat. MM – membran magnetosom, Mmp – protein magnetosomal, SAV – streptavidin

Membran magnetosom, sama dengan membran sel dan organel, adalah pembawa semula jadi bagi banyak molekul isyarat. Kaedah kejuruteraan genetik membolehkan anda membuat magnetosom dengan membran yang diubahsuai, contohnya, dengan protein bersepadu (Rajah 7). Oleh itu, magnetosom bakteria digunakan untuk melancarkan dua enzim, glucooxidase dan urikase, yang menunjukkan 40 kali lebih banyak aktiviti berbanding ketika tidak bergerak pada zarah magnet buatan (Mikrobiologi dan Bioteknologi Gunaan, 1987, 26, 4, 328-332).

Magnetosomes dengan antibodi yang dihidupkan di permukaan boleh digunakan untuk immunoassays enzim, termasuk pengesanan alergen dan sel karsinoma epitel. Sekiranya magnetosom disalut dengan antibodi khusus untuk sel-sel tertentu, sel-sel ini boleh diasingkan terus dari cecair biologi: tag magnet menjadikannya mudah untuk dipasang.

Penghantaran dadah yang diarahkan

Terdapat eksperimen di mana ubat disampaikan kepada tumor bukan oleh magnetosom, tetapi oleh seluruh sel MTB (Alam Nanoteknologi, 2016, 11, 941-947). Untuk mengesan sel Magnetococcus marinus MC-1 melampirkan kira-kira 70 nanoliposom yang mengandungi dadah dan memperkenalkan bakteria ini kepada tikus immunodeficient yang mempunyai tumor yang disuntik. Di bawah kawalan magnet, sehingga 55% sel MC-1 menembusi tumor. Dalam hal ini, juga perlu diperhatikan bahawa hipoksia – kekurangan oksigen – adalah ciri-ciri jaringan tumor; oleh itu, penggunaan mikroorganisma yang memperlihatkan kelakuan magneto-aerotaktik dapat membuat terapi lebih berkesan.

Penghantaran gen

Pendekatan moden yang menarik untuk mencapai imuniti spesifik antigen – apa yang dipanggil vaksin DNA: DNA dengan gen tertentu dimasukkan ke dalam badan, produk yang menyebabkan reaksi pelindung tubuh.Walau bagaimanapun, pada masa ini tidak ada sistem yang mudah dan berkesan untuk penghantaran vaksin DNA ke dalam sel-sel penyajian antigen. Magnetosomes adalah pesaing yang baik untuk peranan ini. Sebagai contoh, eksperimen dilakukan pada tikus di mana vaksin DNA berasaskan magnetosom meningkatkan tindak balas imun sistemik terhadap tumor, dan tiada kesan toksik yang diperhatikan (Terapi gen, 2012, 19(12), 1187-1195).

Pencitraan resonans magnetik

Terima kasih kepada magnetosomes, satu revolusi dalam diagnosis dan rawatan pelbagai penyakit dijangka. Pengimejan resonans magnetik (MRI) adalah kaedah visualisasi berdasarkan prinsip resonans magnetik nuklear, ia digunakan terutamanya untuk mendapatkan imej organ-organ dalaman yang berkualiti tinggi. Untuk MRI hipersensitif, agen kontras biasanya digunakan untuk membuat imej lebih tepat – contohnya nanopartikel magnetik dengan saiz dan bentuk seragam.

Kecekapan yang berbeza dari magnetosomes dikaji dalam menggambarkan rangkaian vaskular otak tetikus (Rajah 8). Malah dos kecil mereka dibenarkan untuk mendapatkan gambaran yang baik. Sebagai perbandingan, kami memilih dua jenis agen kontras (nanopartikel magnet buatan oksida besi, magnetosom) dan saline sebagai kawalan.Kegiatan magnetik paling besar diperhatikan dalam magnetosom, masing-masing, angiograms lebih terlihat (Bekalan Penjagaan Kesihatan Maju, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Rajah. 8 3D-angiograms otak tikus selepas suntikan dos klinikal agen kontras: a – 100 μl garam; b – 100 μl besi oksida, 20 μmol / kg; dalam – 100 μl magnetosom MV-1, 20 μmol / kg

Hyperthermia

Hyperthermia Cecair Magnetik (MZHG) adalah suntikan cecair yang mengandungi magnetosom terus ke dalam tumor, dan kemudian penjanaan medan magnet yang berselang-seli di sekitarnya. Dalam kes ini, tumor dimusnahkan oleh haba yang hilang oleh nanopartikel magnet, dan tisu yang sihat tidak panas. Dalam eksperimen ini, magnetosom menunjukkan keberkesanan antitumor yang lebih tinggi (dengan kehilangan lengkap tumor) berbanding oksida besi yang disintesis secara kimia, dan kadar kelangsungan hidup tikus adalah lebih tinggi (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Kajian Kritikal dalam Bioteknologi, 2016; 36(5), 788-802).

Bukan sahaja sains hayat

Magnetosomes juga menjadi subjek kepentingan ahli geologi, ahli paleontologi, dan astrobiologi. Faktanya ialah jika tidak ada sumber lain, magnetosom boleh menjadi hampir satu-satunya pembawa induksi magnet sisa. Menggunakan analisis isotop dan kaedah lain, seseorang boleh menilai umur sedimen yang mengandungi magnetosom, danAdakah perubahan berlaku di medan magnet bumi pada masa itu? Dan pada akhirnya – mengenai perubahan tiang, sejarah asal mereka, pergerakan plat tektonik dan banyak perkara lain (Pendahuluan dalam Mikrobiologi Terapan, 2007, 62, 21-62).

Oleh itu, magnetosomes digunakan dalam pelbagai bidang sains dan teknologi. Kaedah untuk memupuk bakteria magnetotaktik berkembang pesat, produktiviti strain terus meningkat. Mungkin dalam beberapa dekad akan datang, bakteria "nanocompasses" akan menjadi produk bioteknologi yang penting, bersama dengan isotop medis dan protein pendarfluor.

Sastera
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ekologi, Kepelbagaian, dan Evolusi Bakteria Magnetotaktik // Ulasan Mikrobiologi dan Molekul. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Bakteria magnetotaktik, magnetosom dan aplikasi mereka // Penyelidikan Mikrobiologi. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Magnetosome bakteria: Organel prokariotik yang unik // Jurnal Mikrobiologi Molekul dan Bioteknologi. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Biogenesis magnetosom dalam bakteria magnetotaktik // Kajian Semulajadi Mikrobiologi. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Bakteria magnetotaktik: nanodrivers masa depan // Ulasan Kritikal dalam Bioteknologi. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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