http://phct-biotechnology.ru
Оглавление

Живые магниты: применение бактериальных магнетосом

  • 171
  • 0,4
  • 0
  • 0
Добавить в избранное

Количество научных областей применения магнетосом огромно: от медицины до геологии

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Магнетосомы способствуют ориентированию магнитотактических бактерий (МТБ) в магнитном поле. Благодаря своим уникальным свойствам, магнетосомы применимы в широком спектре областей: биотехнологии, геологии, астробиологии и т.д. С их помощью возможно обнаружение раковых клеток на ранних стадиях развития, магнитная сепарация клеток, выделение ДНК и РНК непосредственно из биологических жидкостей, направленная доставка лекарственных средств, а также определение возраста отложений, геологическая реконструкция минувших эпох и многое другое.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Инвитро»

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

МТБ: кто они такие?

Железо — один из самых доступных химических элементов на планете, являющийся жизненно необходимым для живых организмов. Биогеохимический круговорот железа включает в себя две основные реакции: восстановление и окисление, то есть взаимопревращения трехвалентного (Fe3+) и двухвалентного (Fe2+) железа (Fe3+ ↔ Fe2+).

Железо входит в состав ряда ферментов и переносчиков электронов, которые участвуют в процессах метаболизма: фотосинтезе, дыхании и т.д.

Микроорганизмы могут использовать различные формы железа в энергетических процессах в качестве доноров или акцепторов электронов. Однако для некоторых бактерий роль железа не ограничивается перечисленными функциями. Они способны продуцировать магнетосомы — магнитные кристаллы железа, покрытые мембраной и функционирующие как навигационные устройства. Такие бактерии получили название магнитотактических бактерий (МТБ) [1].

Разнообразие МТБ

Магнитотактические бактерии повсеместно присутствуют в водных экосистемах и могут перемещаться вдоль линий магнитного поля. Все они микроаэрофилы или анаэробы, то есть предпочитают условия с небольшим содержанием кислорода или с его отсутствием [2].

Термин МТБ объединяет бактерий с различной морфологией (спирилл, кокков, палочек, вибрионов и т.д.) (рис. 1), принадлежащих к таким филогенетическим группам, как α-, γ-, δ-proteobacteria; тип Nitrospirae, кандидатные типы Latescibacteria (WS3) и Omnitrophica (OP3) [9]. Большинство МТБ одноклеточные, однако встречаются и магнитотактические «многоклеточные» бактерии (ММБ), например, Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale и Ca. Magnetananas tsingtaoensis (рис. 2) [4].

Морфология МТБ

Рисунок 1. Разнообразная морфология МТБ. а — вибрион; б и г — палочка; в — кокк; д — спирилла; е — «многоклеточная» бактерия.

Филогенетическое распределение МТБ

Рисунок 2. Филогенетическое распределение МТБ.

О структуре магнетосом

Магнетосомы — уникальные органеллы, содержащие магнитные кристаллы соединений железа размером в несколько нанометров (рис. 3).

Существует 3 варианта нахождения магнитных кристаллов в клетках МТБ:

  • магнетит (Fe3O4);
  • грейгит (Fe3S4) или чередование грейгита и пирита (FeS2);
  • чередование кристаллов магнетита и грейгита [14].
Нанометр

Рисунок 3. Наглядно о нанометре.

рисунок автора статьи

Размер магнетосом составляет приблизительно 35–120 нм [8]. Морфология, размер и внутриклеточная организация широко варьируют и специфичны для разных филогенетических групп МТБ (рис. 4).

Формы магнетосом

Рисунок 4. Формы магнетосом. а — кубоктаэдрические; б и в — удлиненные призматические; г — зубовидные; д — пулевидные.

Биоминерализация магнетосом

Синтез магнетосом регулируется сложным механизмом. В настоящее время выявлено более 40 различных генов, которые кодируют белки, связанные с этим процессом. Все гены, отвечающие за биоминерализацию магнетосом, собраны в одном месте в хромосоме — в так называемом магнетосомном геномном острове (МГО). Он состоит из нескольких оперонов. Оперон — это участок хромосомы с определенным набором генов, отвечающих за определенную функцию. Существует набор консервативных генов, которые присутствуют у всех МТБ: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ. Не все гены mam являются консервативными (например mamX). Также встречаются такие гены, как mad (например mad17), man (например man4) и mms (например mms6).

Магнетосомная мембрана содержит фосфолипидный бислой 3–4 нм толщиной, образованный путем инвагинации (впячивания) цитоплазматической мембраны клетки, а также специфические белки, отвечающие за синтез магнетосом (рис. 5).

Строение магнетосомы

Рисунок 5. Схема строения магнетосомы.

Формирование магнетосомной мембраны опережает зарождение кристаллов минерала. После того как сформировались магнетосомные везикулы, внутри них происходит накопление железа. Пока достоверно неизвестно, каким способом происходит транспорт железа к везикуле. Существуют три теории:

  1. Железо входит в просвет везикулы из периплазмы диффузией или активным транспортом в тот момент, когда магнетосомная мембрана все еще находится в контакте с цитоплазматической мембраной клетки.
  2. Перенос железа происходит с использованием общей (для всей клетки) системы переноса железа.
  3. Железо переносится к везикуле, соединившись с органической молекулой.

После того как железо благополучно доставлено в магнетосомную везикулу, начинается следующая стадия — нуклеация, или зарождение кристаллов, которая регулируется специфичными для МТБ белками. Они располагаются на поверхности магнетосомной мембраны и внутри магнетосомной везикулы. Кристаллы в зрелых магнетосомах однородны и имеют узкое распределение по размеру и форме.

Параллельно нуклеации с помощью специального белка МamJ происходит прикрепление везикул к параллельным цитоскелетным нитям. Эти нити образованы актиноподобным белком МamK, который отвечает за чувствительность магнетосомной цепи к изменению подвижности клетки.

Таким образом образуется магнетосомная цепь (рис. 6) [10].

Этапы образования магнетосом

Рисунок 6. Этапы образования магнетосом. а — Клетка без магнетосом. б — Магнетосомные везикулы (красные круги). в — Транспорт железа в везикулы. г — Сборка магнетосомной цепи (звездочка — МamJ; зеленая пунктирная линия — нити МamK). д — Деление клетки. Магнитные силы уменьшаются при перегибании клеток и однонаправленном углублении клеточной стенки. е — Цепочки магнетосом перемещаются к центру клетки вдоль нити МamK.

Каждая магнетосома обладает магнитным моментом и представляет собой магнит с северным и южным полюсами [10]. Внутри клетки магнетосомы выстраиваются в цепочку и скрепляются между собой специальным структурным белком. Чем длиннее магнетосомная цепочка, тем больше магнитный момент и, соответственно, сильнее магнит. Магнетосомные цепи являются клеточными датчиками, улавливающими направление и градиенты магнитных полей.

Так для чего это нужно?

По своей природе МТБ являются микроаэрофилами или анаэробами. Для микроаэрофилов в небольших количествах кислород не страшен. Однако избыток O2 действует на них негативно, поэтому микроаэрофилы всегда стремятся к зоне с наименьшей концентрацией кислорода. Наиболее благоприятны условия у придонных осадков, где существует переход между кислородной и бескислородной зонами (oxic-anoxic transition zone). Используя магнетосомы как «нано-компас», они двигаются вдоль линий магнитного поля, варьируя глубину погружения, тем самым выбирают для себя наиболее благоприятные условия. Такой тип движения называется магнитотаксисом (рис. 7).

Магнитоаэротаксис

Рисунок 7. Магнитоаэротаксис. В северном полушарии МТБ стремятся к магнитному северу и называются «северо-ищущими», в Южном полушарии — «юго-ищущими». Условные обозначения: N — north, север; S — south, юг; Northern Hemisphere — северное полушарие; Southern Hemisphere — южное полушарие.

рисунок автора статьи

Магнитотаксис — разновидность аэротаксиса, по-другому называется магнитоаэротаксисом.

Анаэробы чувствительны к любым концентрациям кислорода, поэтому используют магнитотаксис для избегания областей, содержащих кислород.

Биотехнологическое применение магнетосом

Сейчас в промышленных масштабах применяют искусственные магнитные наночастицы (ИМН). Они имеют постоянный или наведенный магнитный момент и используются в биотехнологии, медицине и других отраслях. Обычно их не применяют в чистом виде, а «одевают» в капсулы или помещают в биоинертные матрицы (различные органические соединения) [11]. При воздействии на них магнитного поля они способны перемещаться по организму и выполнять различные функции (связывание с клетками, доставка лекарственных препаратов и т.д.). Здесь встает вопрос: «Опасно ли воздействие магнитного поля на организм и являются ли сами магнитные наночастицы безопасными?». При исследовании данного вопроса оказалось, что магнитное поле влияет на биологические жидкости, например, кровь и лимфу. Например, в присутствии магнитного поля кровь начинает течь медленнее [11].

Искусственные магнитные наночастицы представляют значительно бóльшую цитотоксичность и генотоксичность по сравнению с магнетосомами, и вероятность появления некроза тканей гораздо выше. Был проведен эксперимент, при котором в клетки вводили ИМН и магнетосомы. Клетки с магнетосомами могли поддерживать нормальную морфологию, в то время как клетки с ИМН разрушались. И магнетосомы, и ИМН могут вызывать повреждения в ДНК, однако повреждения, вызванные магнетосомами, контролируемые и обратимые. Напротив, повреждения, вызванные ИМН, были существенными и приводили к самоуничтожению клеток. Таким образом, бактериальные магнетосомы показали прекрасную цитосовместимость и обратимую генотоксичность [22].

Хотя большинство компонентов живых организмов является слабо диамагнитными, обнаружилось, что некоторые организмы несут в себе парамагнитные частицы (обычно магнетит). Например, кристаллы магнетита присутствуют в организме птиц, некоторых насекомых и даже человеческом мозге [15]. По одной из теорий они служат для ориентирования в магнитном поле Земли. Также магнетит, обнаруженный в мозге человека, вовлечен в процессы, связанные с передачей и хранением информации (памятью) [21].

Благодаря своим уникальным свойствам (наличие фосфолипидного слоя, высокая кристалличность, сильная намагниченность, равномерное распределение формы и размера), а также высокой биосовместимости [16], [17], магнетосомы смогут полностью заменить искусственные магнитные наночастицы.

Рассмотрим некоторые области применения магнетосом.

Модификация мембраны магнетосом

Благодаря наличию мембраны на магнитном кристалле возможно связывание различных молекул с поверхностью магнетосомы. Помимо естественного образования магнетосом in vivo, существуют методы генной инженерии, с помощью которых изменяют биохимический состав наружной мембраны магнетосом. Перспективным направлением является создание магнетосом с модифицированной мембраной (рис. 8).

Иммобилизация молекул на поверхности магнетосом

Рисунок 8. Иммобилизация различных функциональных молекул на поверхности мембраны магнетосом. а — Ферменты и белки флуорофора (например, GFP). б — Модифицированные мембранные белки и иммунноглобулин-связывающие белки. в — Образование комплексов с частицами золота или квантовыми точками [13]. г — Использование «сшитых белков», стрептавидиновых меток. Условные обозначения: MM — магнетосомная мембрана, MMP — магнетосомные белки, SAV — стрептавидин.

Мембрана магнетосом имеет на поверхности дополнительные карбоксильные и амидные группы, которые повышают гидрофильность и биосовместимость магнетосом. Поэтому при иммобилизации ферментов на поверхности магнетосомной мембраны их активность возрастает в десятки раз в отличие от иммобилизации на искусственных магнитных наночастицах.

Магнетосомы с иммобилизированными на поверхности антителами можно использовать в обнаружении и идентификации аллергенов и клеток рака [6].

Наночастицы с флюоресцирующими белками применимы для обнаружения и выделения других бактерий [5].

Направленная доставка лекарственных препаратов

Отдельным направлением в медицине является использование магнетосом для доставки лекарственных препаратов в организме.

Магнетосомы, «покрытые» лекарственными веществами, могут быть доставлены в пораженный орган с помощью магнита.

Магнитная сепарация клеток

Магнитная сепарация клеток основана на использовании магнетосом, покрытых антителами, специфичными для интересующих клеток (рис.9). Она позволяет осуществлять выделение клеток непосредственно из биологических жидкостей (кровь, костный мозг и т.д.) Метод дает неограниченные возможности по выделению любых интересующих клеток. При этом очистка клеточной суспензии от магнитных частиц занимает сравнительно немного времени. Полученные клетки остаются жизнеспособными и готовыми к дальнейшим исследованиям методами микроскопии, цитометрии, культивирования и многих других [11].

Магнитная сепарация клеток

Рисунок 9. Магнитная сепарация клеток с помощью магнетосом.

рисунок автора статьи

Доставка генов

Разработана невирусная доставка молекулы ДНК в клетку с помощью магнетосом. Мембрану магнетосомы покрывали полиэтиленимином, который позволял связываться с молекулой ДНК [23].

Такие ДНК-вакцины не обладают цитотоксичностью [24]. После введения их в клетку обеспечивается синтез белков, которые вызывают иммунную реакцию. Метод доставки генов с помощью магнетосом является привлекательным для создания специфического иммунитета, а также противоопухолевой иммунотерапии [23].

Магнитно-резонансная томография

Благодаря магнетосомам ожидается революция в диагностике и лечении многих заболеваний. Обнаружение патологий до появления клинических признаков требует применения новых методов молекулярной диагностики и инновационных технологий визуализации, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) [16]. МРТ — это метод визуализации, основанный на принципах ядерного магнитного резонанса, которые в первую очередь применимы в медицинских целях для получения высококачественных изображений происходящего внутри человеческого тела [23]. Для сверхчувствительной МРТ обычно используют контрастные агенты, которые повышают точность получаемого изображения. Так, используют магнитные наночастицы с однородными размером и формой. По этой причине магнетосомы могут использоваться в качестве высокочувствительных МР-контрастных агентов. Недавно французские ученые исследовали контрастную эффективность магнетосом при визуализации сосудистой сети мозга мыши и показали, что даже небольшая доза введенных магнетосом способствует получению хорошей картинки. Для сравнения они выбрали два вида контрастных веществ (искусственные магнитные наночастицы оксида железа и магнетосомы) и физиологическую сыворотку в качестве контроля [16]. Оказалось, что наибольшая магнитная активность наблюдалась у магнетосом, и, соответственно, ангиограммы были более наглядны (рис. 10).

3D-ангиограммы головного мозга мыши

Рисунок 10. Визуализация 3D-ангиограмм головного мозга мыши после инъекции клинической дозы контрастного вещества. Вверху — прединъекционные ангиограммы; внизу — постинъекционные ангиоргаммы. а — Инъекция 100 мкл физиологической сыворотки. б — Инъекция 100 мкл оксида железа, 20 мкмоль/кг. в — Инъекция 100 мкл магнетосом MV-1, 20 мкмоль/кг.

Гипертермия

Магнитная жидкостная гипертермия (МЖГ) включает в себя инъекцию жидкости с магнетосомами непосредственно в место опухоли, а затем генерирование переменного магнитного поля вокруг опухоли. Суть метода заключается в том, что опухоль уничтожается за счет тепла, рассеиваемого магнитными наночастицами [18]. МЖГ предотвращает чрезмерное нагревание здоровых тканей, так как магнетосомы поглощают энергию магнитного поля [23]. Метод применяли на мышах и обнаружили его высокую противоопухолевую активность.

Геологические интересы

Магнетосомы применимы не только в биотехнологии. Они также стали предметом интереса геологии, палеонтологии, астробиологии.

Дело в том, что при отсутствии других источников магнетосомы могут быть почти единственными носителями остаточной магнитной индукции. Используя изотопный анализ и другие методы, можно судить о возрасте отложений и о том, происходили ли в тот период изменения в магнитном поле Земли. В итоге благодаря магнетосомам можно узнать о смене полюсов, истории их происхождения, движении тектонических плит и многом другом.

Магниторецепция вполне могла быть среди первых сенсорных систем у древних организмов, о чем свидетельствует наличие магнетосом в карбонатных структурах марсианского метеорита ALH84001. Их возраст около 4 миллиардов лет. Эта находка старше первых земных микроорганизмов почти на 500 миллионов лет, поэтому она стала причиной множества споров о возможном существовании МТБ на других планетах [20].

Выводы

Благодаря уникальной способности синтезировать магнитные частицы МТБ находят применение в различных областях науки и техники. По сравнению с искусственными магнитными наночастицами они имеют ряд преимуществ. Наличие биогенной мембраны позволяет легко присоединять различные молекулы, изменяя химические свойства магнитной частицы. Магнетосомы обладают высокой биосовместимостью и низкой токсичностью и имеют потенциал для использования при лечении различных заболеваний. Сейчас стремительно развиваются методы культивирования магнитотактических бактерий, поэтому продуктивность штаммов непрерывно повышается.

Учитывая темпы развития науки, вероятно, в ближайшие несколько десятилетий бактериальные магнитные наночастицы будут широко использовать в различных сферах нашей жизни.

Литература

  1. R. Blakemore. (1975). Magnetotactic bacteria. Science. 190, 377-379;
  2. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. (2013). Ecology, Diversity, and Evolution of Magnetotactic Bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 77, 497-526;
  3. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. (2012). Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application. Microbiological Research. 167, 507-519;
  4. Dennis Bazylinski, Christopher Lefèvre. (2013). Magnetotactic Bacteria from Extreme Environments. Life. 3, 295-307;
  5. Claus Lang, Dirk Schüler. (2006). Biogenic nanoparticles: production, characterization, and application of bacterial magnetosomes. J. Phys.: Condens. Matter. 18, S2815-S2828;
  6. Ouajdi Felfoul, Mahmood Mohammadi, Samira Taherkhani, Dominic de Lanauze, Yong Zhong Xu, et. al.. (2016). Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions. Nature Nanotech. 11, 941-947;
  7. Brian H. Lower, Dennis A. Bazylinski. (2013). The Bacterial Magnetosome: A Unique Prokaryotic Organelle. J Mol Microbiol Biotechnol. 23, 63-80;
  8. Dennis A. Bazylinski, Richard B. Frankel. (2004). Magnetosome formation in prokaryotes. Nat Rev Micro. 2, 217-230;
  9. Sebastian Kolinko, Michael Richter, Frank-Oliver Glöckner, Andreas Brachmann, Dirk Schüler. (2016). Single-cell genomics of uncultivated deep-branching magnetotactic bacteria reveals a conserved set of magnetosome genes. Environ Microbiol. 18, 21-37;
  10. René Uebe, Dirk Schüler. (2016). Magnetosome biogenesis in magnetotactic bacteria. Nat Rev Micro. 14, 621-637;
  11. Nikiforov V.N. and Filinova E.Yu. Biomedical applications of the magnetic nanoparticles. In: Magnetic nanoparticles / ed. by Gubin S.P. Wiley, 2009. P. 466;
  12. Serena Mazzucchelli, Miriam Colombo, Clara De Palma, Agnese Salvadè, Paolo Verderio, et. al.. (2010). Single-Domain Protein A-Engineered Magnetic Nanoparticles: Toward a Universal Strategy to Site-Specific Labeling of Antibodies for Targeted Detection of Tumor Cells. ACS Nano. 4, 5693-5702;
  13. Лаборатория на ладони;
  14. C. T. Lefevre, N. Menguy, F. Abreu, U. Lins, M. Posfai, et. al.. (2011). A Cultured Greigite-Producing Magnetotactic Bacterium in a Novel Group of Sulfate-Reducing Bacteria. Science. 334, 1720-1723;
  15. Роль биогенных нанокристаллов в работе биологической «машины времени»;
  16. Sébastien Mériaux, Marianne Boucher, Benjamin Marty, Yoann Lalatonne, Sandra Prévéral, et. al.. (2015). Magnetosomes, Biogenic Magnetic Nanomaterials for Brain Molecular Imaging with 17.2 T MRI Scanner. Adv. Healthcare Mater.. 4, 1076-1083;
  17. Jianbo Sun, Tao Tang, Jinhong Duan, Pin-xian Xu, Ziliang Wang, et. al.. (2010). Biocompatibility of bacterial magnetosomes: Acute toxicity, immunotoxicity and cytotoxicity. Nanotoxicology. 4, 271-283;
  18. Edouard Alphandéry. (2014). Applications of Magnetosomes Synthesized by Magnetotactic Bacteria in Medicine. Front. Bioeng. Biotechnol.. 2;
  19. E. I. Friedmann, J. Wierzchos, C. Ascaso, M. Winklhofer. (2001). Chains of magnetite crystals in the meteorite ALH84001: Evidence of biological origin. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98, 2176-2181;
  20. Montiel J.A. (2017). Is magnetite involved in brain function? eatgenius;
  21. Lei Qi, Xiujuan Lv, Tongwei Zhang, Peina Jia, Ruiying Yan, et. al.. (2016). Cytotoxicity and genotoxicity of bacterial magnetosomes against human retinal pigment epithelium cells. Sci Rep. 6;
  22. Abhilasha Singh Mathuriya. (2016). Magnetotactic bacteria: nanodrivers of the future. Critical Reviews in Biotechnology. 36, 788-802;
  23. Что такое ДНК-вакцины и с чем их едят?.

Комментарии

Вас также может заинтересовать