Yaşayan mıknatıslar

Yaşayan mıknatıslar

Lolita Alekseeva, Veronika Kozyeva
"Kimya ve Yaşam" №4, 2018

Kendilerini manyetik bir alanda – magnetotaktik bakteriler- yönlendirebilecek mikroorganizmalar vardır. Manyetosomlar bu konuda onlara yardımcı olur – bir lipit membran olarak giyinmiş nano ölçekli paramanyetik parçacıklar. Ancak bakteriler sadece manyetozomlara ihtiyaç duymaz. Bu buluş, antibiyotikler ve spesifik DNA kesimi için CRISPR sistemi ile birlikte, insanlar tarafından kolayca ödünç alınır.

MTB: Onlar kim?

Demir, gezegendeki en erişilebilir kimyasal elementlerden biridir ve canlı organizmalar için en önemlisidir. Demirin biyojeokimyasal dolaşımı iki ana reaksiyondan oluşur – indirgeme ve oksidasyon, yani üç değerlikli ve iki değerlikli demirin birbirine dönüşümü (Fe)3+ ↔ Fe2+).

Demir, fotosentez, solunum, vb. Gibi temel olanları içeren metabolik süreçlerde yer alan enzimlerin ve elektron taşıyıcıların bir parçasıdır. Mikroorganizmalar enerji işlemlerinde çeşitli elektron tiplerini kullanırlar – elektron donörleri veya alıcılar olarak.

Bununla birlikte, bazı bakteriler bu element için başka bir kullanım bulmuşlardır. Manyetozomlar üretirler – manyetik kristaller, bir membran ile kaplıdır ve navigasyon cihazları olarak işlev görürler.Bu bakterilere manyetotaktik denir. Hakemli bir dergide ilk kez, Woods-Hole Oşinografi Enstitüsü'nden Richard Blackmore'un mikrobiyoloğu, 1975'te bunları açıkladı. Magnetotaktik bakteriler (MTB) sucul ekosistemlerde yaşar ve manyetik alan çizgileri boyunca hareket edebilir. Bunların hepsi mikroaerofiller veya anaeroblardır, yani yaşam için çok az oksijen içeriğine sahip veya hiç oksijen içermeyen koşulları tercih ederler.

Şek. 1. MTB'nin farklı morfolojisi: ve – vibrio; b, g – çubuklar; içinde – cocci; d – spirilla; e – "çok hücreli" bakteri. Resim: Mikrobiyolojik Araştırma, 2012, 167(9): 507-519.

Bu bakterilerin morfolojisi farklı olabilir – bunlar arasında spirillis, cocci, stickler, vibrios (Şekil 1) bulunur. Mesela manyetotaktik “çok hücreli” bakteri hücre agregatları da vardır. Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale ve Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Manyetosom sentezleme yeteneği filogenetik bir özellik değildir, temsilcileri farklı filogenetik gruplara aittir (Şekil 2). Öte yandan, bir sınıf ve hatta cins arasında hem MTB hem de manyetotaktik olmayan bakteriler vardır.

Manyetosomlar, bu eşsiz organeller, büyüklükleri birkaç nanometre demir bileşikleri kristalleri içerir. Kristaller manyetit Fe'den oluşabilir.3Ey4 veya greigit Fe3S4. Manyetosomların büyüklüğü yaklaşık olarak 35-120 nm'dir ve şekli, boyutu ve hücre içi organizasyonu çok çeşitlidir (Şekil 3).

Şek. 2. Manyetotaktik bakterilerin ve temsilcilerinin bir kısmının bulunduğu başlıca filogenetik gruplar. Moleküler Mikrobiyoloji ve Biyoteknoloji Dergisi. 2013, 23(1-2): 63-80.

Şek. 3. Manyetosom formları: ve – cuboctahedral; biçinde – uzatılmış prizmatik; g – Diş; d – mermi. Resim: Doğa Yorumlar Mikrobiyoloji, 2016, 14, 621-637.

Manyetosom biomineralizasyon

Günümüzde, magnetosomların sentezi ile ilişkili proteinleri kodlayan 40'tan fazla gen tespit edilmiştir. Manyetosomların biyomineralizasyonu için sorumlu olan tüm genler, magnetosome genomik ada (MAI) olarak adlandırılan bakteriyel kromozomun bir yerinde toplanır. Birkaç operondan oluşur. (Bir operon, belirli bir maddenin taşıma ve asimilasyonu gibi belirli bir hücre fonksiyonunu sağlayan bir gen dizisine sahip olan bir kromozomun bir parçasıdır, bu nedenle tüm bu genleri aynı anda aktive etmek mantıklıdır.) Tüm MTB'de bir dizi tutucu gen bulunur: Mama, mamB, mamC, mamD, Mame, mamK, Mamo, Mamp, mamQ.

Şek. 4. Manyetosom yapısının şeması. Resim: 2015.igem.org

Manyetik kristal membranı sarar.Hücrenin sitoplazmik zarının invazyonundan oluşur ve 3-4 nm kalınlığında bir lipit çift tabakasından oluşur, burada özel proteinler manyetozomların sentezinden sorumludur (Şekil 4). Böylece, manyetosome kabarcıklar (veziküller) ilk önce oluşur, daha sonra demir bunların içinde birikir.

Demir, magnetosomal vesiküle güvenli bir şekilde verildikten sonra, bir sonraki aşama, MTB'ye spesifik proteinler tarafından düzenlenen nükleasyon veya kristallerin çekirdeklenmesi ile başlar. Manyetosom membranın yüzeyinde vezikülün içinde yer alırlar. Olgun manyetozomlardaki kristaller boyut ve şekilde benzerdir.

Özel bir MamJ proteini kullanarak ,ziküller paralel sitoskeletal filamanlara bağlanır (Şekil 5). Bu iplikler MamK proteini tarafından oluşturulur.

Şek. 5. Manyetosom zincirinin oluşum aşamaları: ve – manyetozomsuz bir hücre; b – magnetosome veziküller (gösterilen çevreler); içinde – demirin veziküllere taşınması; g – manyetosom zincirinin montajı (yıldız işareti – MamJ; noktalı çizgi – MamK konuları); d – Hücre bölünmesi, hücreler büküldüğünde ve hücre duvarının tek yönlü derinleşmesiyle manyetik kuvvetler azalır; e – Manyetosom zincirleri, MamK dizisi boyunca hücrenin merkezine doğru hareket eder. Resim: Doğa Yorumlar Mikrobiyoloji, 2016, 14, 621-637.

navigasyon

Her magnetosomun manyetik bir momenti vardır ve kuzey ve güney kutupları olan bir mıknatıstır. Manyetosom zinciri ne kadar uzun olursa, manyetik moment de o kadar büyür ve buna göre daha güçlü olan mıknatıs. Bu zincirler manyetik alanların yönünü ve gradyanlarını algılayan hücresel sensörlerdir.

O zaman neden bakteri buna ihtiyaç duyar?

Temel hipotez uygun koşulların araştırılması ile ilgilidir. MTB'nin mikroaerofilik veya anaerobik olduğu konusunda aşırı bir şekilde söz etmedik: aşırı oksijen sevmiyorlar. Bunlar için en uygun parametreler genellikle oksijen ve oksijensiz bölgeler arasında bir geçişin olduğu alt çökeltiler alanındadır. Manyetosomları minyatür bir yerleşik pusula olarak kullanarak, manyetik alan çizgileri boyunca kendilerini yönlendirirler ve dalışın derinliğini değiştirerek, flagella yardımıyla hareket ederler. Yerkürenin büyük kısmında bulunan manyetik çizgiler (ekvator bölgesi hariç) yüzeye doğru bir açıyla yönlendirilir, bu nedenle bunlar boyunca hareket mutlaka dibe vuracaktır. Ek olarak, bakteriler aerotaktik sinyallere doğru yönlendirilir – oksijen konsantrasyonunda bir değişiklik Bu hareket türü magnetotaksis veya magnetoaerotaksis olarak adlandırılır (Şekil 6).

Şek. 6. Manyetik aeroteksKuzey yarımkürede, MTB manyetik güneye yönelir ve güney yarıkürede kuzey arayan, güney-güneyci olarak adlandırılır.

Tabi ki, MTB'nin manyetik alanının algılanma mekanizması, kuvvet çizgileri boyunca basit yönelimden çok daha karmaşıktır. Gerinme çalışmaları Magnetospirillum magnezyum AMB-1, bakterilerin, çeşitli nesnelerden yayılan manyetik alanların gradyanlarına göre, normal mıknatıs veya dip manyetik birikimler olarak da yönlendirilebileceğini göstermiştir (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409). Bu hassasiyet, hücreleri mıknatıslıktan habitatlarındaki manyetik alanın kaynaklarına karşı koruyabilir. Örneğin, bir bakteri diğer benzer bakterilerin yok oluşu sırasında oluşan manyetit kümelerine yakın olduğu zaman, zaman içinde ters yönde hareket etmeye başlamadığında, kendi magnetosomlarının bu yerde kalması muhtemeldir.

Görüşler, manyetozomların, yönelim ile ilişkili olmayan hücrelerde farklı bir rol oynayabileceği ifade edilmektedir. Demir depolamanın işlevini yerine getirmeleri pek olası değildir: Hücre içinde magnetozomlar bulunur, hatta bu elementin çevrede eksikliği vardır. Manyetosomların biyomineralizasyonunun eski bir metabolik yolun parçası olabileceği öne sürülmüştür.manyetosomların hücresel enerji süreçlerinde alıcı veya elektron donörü olarak kullanılan demir iyonlarının depolanma rolünü oynadığıÇevresel Mikrobiyoloji Raporları, 2017). Ancak, bu versiyonun hala deneysel onayına ihtiyacı var.

Manyetosomların biyoteknolojik kullanımı

Sürekli ya da uyarılmış manyetik momente sahip yapay nanopartiküller şu anda çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır: biyomoleküllerin tıbbi ilaçlara izolasyonu için ticari kitlerden. Tıbbi uygulamalar için, genellikle organik bileşiklerin kapsüllerine veya biyoinert matrislerine konulur. Manyetik bir alanın etkisi altında, vücut etrafında hareket eder ve çeşitli işlevleri yerine getirirler.: hücrelere bağlanma, ilaç verme vb.

Manyetik nanopartiküller vücut için güvenli midir? Canlı organizmaların çoğu bileşeni zayıf bir şekilde diamagnetik olmasına rağmen, bazı organizmaların paramanyetik parçacıklar (genellikle manyetit) taşıdıkları bulunmuştur. Örneğin, manyetit kristalleri kuşların vücudunda, bazı böceklerde ve hatta insan beyninde bulunur. Bir teoriye göre, Dünya'nın manyetik alanında oryantasyon için kullanılırlar.

Yapay manyetik nanopartiküller (IMN), manyetozomlara kıyasla önemli ölçüde daha büyük sitotoksisite ve genotoksisite gösterir ve kullanıldığında doku nekrozu olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle, Çinli araştırmacılar, insan retinanın pigment epitel hücre kültürüne IMN veya magnetosomların enjekte edildiği bir deney gerçekleştirdi (Bilimsel Raporlar, 2016, 6, 2696). Manyetosomlarla tedavi edilen hücreler normal morfolojiyi muhafaza ederken, IMN hücreleri de yok edildi. Her iki magnetosom ve IMN genotoksisiteye sahiptir. Bununla birlikte, IMN'nin neden olduğu hasar önemli olmuştur ve hücre kendini yok etme (apoptoz) ile sonuçlanmıştır, oysa manyetozomlarla tedavi edilen hücrelerde apoptosis genellikle bastırılmıştır.

Biyouyumluluğun manyetozomların eşsiz özelliklerini sağlaması olasıdır: fosfolipit kabuk, yüksek kristallilik ve kimyasal saflık, güçlü mıknatıslanma, şekil ve boyutta eşit dağılım. Yapay manyetik nanopartiküllerin tamamen yerini alabilecekleri varsayılmaktadır.

Manyetosom kullanımının bazı yönlerini ele alalım.

Membran modifikasyonu

Şek. 7. Çeşitli fonksiyonel grupların manyetosom membranına girmesi: ve – Enzimlerin ve florofor etiketlerinin immobilizasyonu (örneğin, yeşil flüoresan protein); b – hibrid proteinlerin kullanımı (orijinal olarak tek tek proteinleri kodlayan birkaç "çapraz bağlı" genin ifadesi ile elde edilir) ve biyotinle işaretlenmiş biyomoleküllerin (DNA veya antikorlar) sabitlenmesi için streptavidin etiketleri; içinde – DNA bağlayıcıları kullanılarak altın parçacıkları veya kuantum noktaları ile komplekslerin oluşumu; g – modifiye magnetosome membran proteinleri ve immünoglobulin bağlayıcı proteinlerin kullanımı. AA – manyetosom zarı, MMP – magnetosomal proteinler, SAV – streptavidin

Hücre ve organellerin zarlarına benzer olan manyetosom membran, birçok sinyalleme molekülü için doğal bir taşıyıcıdır. Genetik mühendisliği yöntemleri, örneğin entegre proteinlerle modifiye edilmiş bir zar ile manyetozomlar oluşturmanızı sağlar (Şekil 7). Bu nedenle, bakteriyel manyetosomlar, yapay manyetik partiküller üzerinde immobilize edildiklerinden 40 kat daha fazla aktivite gösteren iki enzim, glukokoksidaz ve ürikazın hareketsizleştirilmesinde kullanılmıştır (Uygulamalı Mikrobiyoloji ve Biyoteknoloji, 1987, 26, 4, 328-332).

Yüzeyde hareketsizleştirilen antikorlara sahip manyetosomlar, alerjenler ve epitelyal karsinom hücrelerinin saptanması dahil olmak üzere enzim immüno-analizleri için kullanılabilir. Manyetosomlar, belirli hücreler için spesifik antikorlarla kaplanmışsa, bu hücreler doğrudan biyolojik sıvılardan izole edilebilir: manyetik bir etiket, bunların birleştirilmesini kolaylaştırır.

Yönlendirilmiş ilaç dağıtımı

İlacın tümöre manyetosomlar tarafından değil, tüm MTB hücreleri tarafından verildiği deneyler vardır (Doğa Nanoteknolojisi, 2016, 11, 941-947). Hücreleri zorlamak için Magnetococcus marinus MC-1, yaklaşık 70 ilaç yüklü nanolipozomu bağladı ve bu bakterileri, inoküle edilen tümörleri olan immün yetmezlikli farelere koydu. Manyetik kontrol altında, MC-1 hücrelerinin% 55 kadarı tümöre nüfuz etti. Bu durumda, hipoksiya – oksijen eksikliğinin – tümör dokularının özelliği olduğu dikkati çekmektedir, bu nedenle, bir manyeto-aerotaktik davranış sergileyen mikroorganizmaların kullanımı terapiyi çok daha etkili hale getirebilmektedir.

Gen teslimatı

Antijene özgü bağışıklık elde etmek için çekici, modern bir yaklaşım – sözde DNA aşıları: Vücuda spesifik genler içeren DNA, vücuda koruyucu reaksiyonlara neden olan vücuda sokulur.Bununla birlikte, şu anda DNA aşılarının antijen sunan hücrelere verilmesi için kolay ve etkili bir sistem yoktur. Manyetosomlar bu rol için iyi bir yarışmacıdır. Örneğin, deneyler, magnetozom bazlı DNA aşısının, tümörlere karşı sistemik bağışıklık yanıtını arttırdığı ve toksik etkilerin gözlenmediği fareler üzerinde gerçekleştirilmiştir (Gen tedavisi, 2012, 19(12), 1187-1195).

Manyetik rezonans görüntüleme

Manyetosomlar sayesinde birçok hastalığın tanısında ve tedavisinde bir devrim bekleniyor. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), nükleer manyetik rezonans prensiplerine dayanan bir görselleştirme yöntemidir ve öncelikle iç organların yüksek kaliteli görüntülerini elde etmek için kullanılır. Hiperduyarlı MRG için, görüntüyü daha kesin kılan kontrast ajanları yaygın olarak kullanılır – örneğin, üniform boyut ve şekle sahip manyetik nanopartiküller.

Manyetosomların kontrast verimi, fare beyninin vasküler ağını görselleştirmede incelenmiştir (Şekil 8). Küçük bir doz bile iyi bir fotoğraf çekmeye izin verdi. Karşılaştırma için iki tip kontrast ajanı (demir oksit, bir manyetik manyetozomun yapay manyetik nanopartikülleri) ve kontrol olarak salin seçtik.En büyük manyetik aktivite manyetozomlarda gözlendi, sırasıyla anjiyogramlar daha görünürdü (İleri Sağlık Malzemeleri, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Şek. 8. Kontrast ajanın klinik dozunun enjeksiyonundan sonra fare beyninin 3 boyutlu anjiyogramları: ve – 100 ul tuzlu su; b – 100 ironl demir oksit, 20 μmol / kg; içinde – 100 magl manyetosom MV-1, 20 μmol / kg

hipertermi

Manyetik Sıvı Hipertermisi (MZHG), bir tümöre doğrudan magnetosom içeren bir sıvının enjeksiyonu ve daha sonra etrafındaki alternatif bir manyetik alanın oluşmasıdır. Bu durumda, manyetik nanopartiküller tarafından yayılan ısı tarafından tümör yok edilir ve sağlıklı dokular ısınmaz. Deneyde, manyetozomlar, kimyasal olarak sentezlenen demir okside kıyasla daha yüksek bir antitümör etkinliği gösterdi (tümörün tamamen yok olmasıyla) ve farelerin hayatta kalma oranı anlamlı olarak daha yüksekti (hem teşhis hem, 2017; 7(18), 4618-4631; Biyoteknolojide Kritik İnceleme, 2016; 36(5), 788-802).

Sadece yaşam bilimleri değil

Manyetozomlar ayrıca jeologların, paleontologların ve astrobiyologların ilgi konusu haline gelmiştir. Gerçek şu ki, diğer kaynakların yokluğunda, manyetozomlar artık manyetik indüksiyonun neredeyse tek taşıyıcıları olabilir. İzotopik analiz ve diğer yöntemleri kullanarak, manyetozomları içeren sedimanların yaşını yargılayabilir veO zamanlar dünyanın manyetik alanında değişiklikler oldu mu? Ve sonunda – kutupların değişimi, kökenlerinin tarihi, tektonik plakaların hareketi ve diğer birçok şey hakkında (Uygulamalı Mikrobiyolojide Gelişmeler, 2007, 62, 21-62).

Böylece, manyetozomlar bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında kullanılmaktadır. Manyetotaktik bakterilerin yetiştirilmesi yöntemleri hızla gelişmektedir, suşların üretkenliği sürekli artmaktadır. Belki önümüzdeki birkaç on yıl içinde, bakteriyel "nanokompazlar" tıbbi izotoplar ve flüoresan proteinler ile birlikte, önemli bir biyoteknolojik ürün haline gelecektir.

literatür
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Magnetotaktik Bakterilerin Ekolojisi, Çeşitliliği ve Evrimi Mikrobiyoloji ve Moleküler Biyoloji Yorumlar. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotaktik bakteriler, manyetozomlar ve uygulamaları // Mikrobiyolojik Araştırma. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. Bakteriyel Magnetosome: Benzersiz Bir Prokaryotik Organelle // Moleküler Mikrobiyoloji ve Biyoteknoloji Dergisi. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Manyetotaktik bakterilerde magnetosom biyojenezi Doğa İncelemesi Mikrobiyolojisi. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotaktik bakteriler: geleceğin nanodrivörleri // Biyoteknolojide Kritik İncelemeler. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Bir cevap yazın

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