Тұрмыстық магниті

Тұрмыстық магниті

Лолита Алексеева, Вероника Козьева
«Химия және өмір» №4, 2018

Магнитотактикалық бактериялар магнит өрісіне бағдар алатын микроорганизмдер бар. Магнитосомалар оларға липидті мембрана ретінде киінген паранмандық бөлшектерге көмектеседі. Бірақ бактерияларға магнетосомалар ғана емес. Осы өнертабыс антибиотиктермен және арнайы ДНҚ кесу үшін CRISPR жүйесімен бірге адамдармен жеңіл қарызға алады.

MTB: олар кім?

Темір планетада ең қолжетімді химиялық элементтердің бірі және тірі организмдер үшін ең маңызды бірі. Темірдің биогеохимиялық айналымы екі негізгі реакцияны қамтиды – тотықсыздану және тотығу, яғни тривалентті және бивалентті темірдің (Fe3+ ↔ Fe2+).

Темір фотосинтез, тыныс алу және т.б. сияқты метаболизм процестеріне қатысатын ферменттер мен электрон тасымалдаушыларының бөлігі болып табылады. Микроорганизмдер электронды донорлар немесе акцепторлар ретінде энергетикалық процесстердегі темірдің әр түрлі нысандарын қолданады.

Дегенмен, кейбір бактериялар осы элементтің тағы бір қолданысын тапты. Олар магнитосомалар – мембранамен жабылған және навигациялық құрылғылар ретінде жұмыс істейтін магниттік кристалдар шығарады.Мұндай бактериялар магнетотактикалық деп аталады. 1975 жылы алғаш рет сараптамалық журналда океанографияның Woods-Hole Institute институтының микробиологы Ричард Блэкмор оларды сипаттады. Магнетотактикалық бактериялар (МТБ) су экожүйелерінде өмір сүреді және магнит өрісінің сызықтарымен қозғала алады. Олардың барлығы – микроарофилдер немесе анаэробтар, яғни өмір үшін олар оттегі құрамында аз немесе жоқ жағдайларды жақсы көреді.

Сурет. 1. MTB әртүрлі морфологиясы: а – вибрио; б, g – таяқтар; ішінде – cocci; d – спирилла; e – «көп жасушалық» бактериялар. Сурет: Микробиологиялық зерттеулер, 2012, 167(9): 507-519.

Бұл бактериялардың морфологиясы әртүрлі болуы мүмкін – олардың арасында спирилис, кокк, таяқтар, вибриондар бар (1-сурет). Магнитотактикалық «көп жасушалы» бактериялар бар, мысалы, жасушалық агрегаттар Кандидат Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale және Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Магнитозды синтездеу мүмкіндігі филогенетикалық сипат емес, олардың өкілдері түрлі филогенетикалық топтарға жатады (2-сурет). Екінші жағынан, бір класс пен тіпті жыныста MTB және магнетотактикалық бактериялар да бар.

Магнетосомалар, осы бірегей органеллалар темір қосылыстарының кристалдарынан бірнеше нм-нометрі бар. Кристалдар магнетит Fe-ден тұрады3O4 немесе Fegile Fe3S4. Магнитосомалардың мөлшері шамамен 35-120 нм құрайды, ал нысаны, өлшемі және жасуша ішіндегі ұйым өте әртүрлі (3-сурет).

Сурет. 2 Магнитотактикалық бактериялар мен олардың кейбір өкілдері табылған негізгі филогенетикалық топтар анықталды. Молекулалық микробиология және биотехнология журналы. 2013, 23(1-2): 63-80.

Сурет. 3 Магнитосомалардың түрлері: а – кубоктаулы; бішінде – ұзартылған призмалық; g – тіс; d – оқпен. Сурет: Микробиология, 2016, 14, 621-637.

Магнитосомалық биоминерализация

Қазіргі уақытта магнитосомалардың синтезімен байланысты белоктарды кодтайтын 40-тан астам ген анықталды. Магнитосомалардың биоминерализациясына жауапты барлық гендер бактериялық хромосоманың бір жерінде – магнитосома геномикалық аралында (МАИ) жиналған. Ол бірнеше опероннан тұрады. (Оперон хромосоманың құрамында белгілі бір заттың тасымалдануы мен ассимиляциясы белгілі бір жасушалық функцияны қамтамасыз ететін гендердің жинағы болып табылады, сондықтан барлық осы гендерді бір мезгілде белсендіру логикалық болады). Барлық МТБ-да табылған консервативті гендер жиынтығы бар: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Сурет. 4 Магнитосоманың құрылымының диаграммасы. Сурет: 2015.igem.org

Магнитті кристалдар мембрананы қоршайды.Бұл жасушаның цитоплазмалық мембранасының инвагинациясынан қалыптасады және 3-4 нм қалыңдығындағы липидті екібұрыштан тұрады, онда ерекше белоктар енгізіледі, олар магнитосомалардың синтезі үшін жауап береді (4-сурет). Осылайша, магнетосомдық көпіршіктер біріншіден пайда болады, содан кейін олардың ішінде темір жиналады.

Темір магнетосомалық везикулаға қауіпсіз жеткізілгеннен кейін келесі кезең басталады – МТБ-ға тән белоктармен реттелетін кристалдардың нуклеациясы немесе нуклеациясы. Олар магнитосомалық мембрана бетінде және весикле ішінде орналасқан. Жетілген пішінді магнитосомдардағы кристалдар өлшемі мен формасында ұқсас.

Арнайы MamJ протеинін қолдану арқылы параллель цитоскелетикалық талшықтарға весикулалар қосылады (5-сурет). Бұл жіп Mamik ақуызымен жасалады.

Сурет. 5 Магнитосома тізбегін қалыптастыру кезеңдері: а – магнитосомасыз жасуша; б – магнитосома весикулдары (көрсетілген кружкалар); ішінде – темірді весикулаларға тасымалдау; g – магнитосома тізбегін құрастыру (жұлдызша – MamJ; үзік сызық – MamK жіптері); d – клеткалардың бөлінуі, жасушалар бүгілгенде және жасуша қабырғасының бір бағытта тереңдегенде магниттік күштердің азаюы; e – магнитосомалар тізбегі Мамикат жолының бойымен жасушаның ортасына өтеді. Сурет: Микробиология, 2016, 14, 621-637.

Навигация

Әрбір магнитосоманың магнит сәті бар және солтүстік және оңтүстік полюстермен магнит болады. Магнитосома тізбегі неғұрлым ұзағырақ болса, соғұрлым магниттік сәтте соғұрлым күшті және магнит күшейтіледі. Бұл тізбектер магнит өрісінің бағыты мен градиентін анықтайтын ұялы сенсорлар.

Неліктен бактериялар қажет?

Негізгі гипотеза қолайлы жағдайларды іздеуге байланысты. Біз MTB микроэрофильді немесе анаэробты деп айтпағанымыз жөн: олар артық оттегіні ұнатпайды. Олардың оңтайлы параметрлері көбінесе оттегі мен оттегісіз аймақ арасында өтетін түбіндегі шөгінділер аймағында болады. Магнитосомаларды миниатюралық компас ретінде пайдалану арқылы олар магнит өрісінің жолдары бойымен бағдарланып, батпақты тереңдікке қарай өзгеріп, флагелланың көмегімен қозғалады. Жер шарының көп бөлігіндегі магниттік сызықтар (экваторлық аймақты қоспағанда) бетіне бұрышқа бағытталады, сондықтан олардың қозғалысы міндетті түрде түбіне жетеді. Сонымен қатар, бактериялар оттегінің шоғырлануының өзгеруі – аэротактикалық сигналдарға бағдарланған, қозғалыс бұл түрі магнетотаксис немесе магнитоэтераксия деп аталады (6-сурет).

Сурет. 6 Магниттік аэротехсия.Солтүстік жарты шарда MTB магнитті оңтүстікке ұмтылады және солтүстік іздеуші деп аталады, оңтүстік жарты шарда – оңтүстік іздеуші

Әрине, МТБ магнит өрісінің қабылдау тетігі күштер желісі бойынша қарапайым бағдарға қарағанда әлдеқайда күрделі. Штаммдік зерттеулер Magnetospirillum magnetum AMB-1 бактериялар магнит өрісінің градиенттеріне қатысты әртүрлі нысандардан, яғни тұрақты магнит немесе төменгі магниттік шоғырлардан (ISME J., 2015 9 (6), 1399-1409) болуы мүмкін екенін көрсетті. Мұндай сезімталдық клеткаларды магнитизациядан магнит өрісінің көздеріне дейін мекендейтін жерлерде қорғай алады. Мысалы, бактериялар басқа ұқсас бактериялардың жойылуы кезінде пайда болған магнетит кластерлеріне жақын болғанда пайда болғанда, егер ол уақыттың қарама-қарсы бағытта қозғалмаса, онда бұл жерде оны өз магнитосомдары сақтайды.

Магнитосомалардың бағдарлауға қатысы жоқ жасушаларда басқа рөл атқаруы мүмкін екендігі туралы пікір айтылады. Темірді сақтау функциясын атқаратыны екіталай: магнитосомалар тіпті бұл элементтің қоршаған ортаға жетіспеушілігімен бірге жасушаларда болады. Магнитосомдардың биоминерализациясы ежелгі метаболизм жолының бөлігі болуы мүмкін деп айтылды,онда магнетосомдар жасушалық энергия процестерінде қабылдаушы немесе электрондық донор ретінде пайдаланылатын темір иондарын сақтау рөлін атқарадыЭкологиялық микробиологиялық есептер, 2017). Дегенмен, бұл нұсқаға эксперименталды растау қажет.

Магнитозды биотехнологиялық қолдану

Тұрақты немесе индуцирленген магниттік сәті бар жасанды нанобөлшектер әр түрлі салаларда қолданылады: биомолекулаларды дәрілік препараттарға бөлу үшін коммерциялық жинақтардан. Медициналық қосымшаларда әдетте олар органикалық қосылыстардың капсулаларына немесе биоинерверлік матрицаларына қойылады. Магнит өрісінің әсерінен олар дененің айналасында қозғалады және түрлі функцияларды орындайды.: ұяшықтарды байланыстырады, есірткі жеткізеді және т.б.

Дене үшін магниттік нанобөлшектер қауіпсіз бе? Тірі ағзалардың көп бөліктері әлсіз диамагниталық болғанымен, кейбір организмдер парамагнит бөлшектерін (әдетте магнетит) алып жүрген деп тапты. Мысалы, магнетит кристаллдары құстың, кейбір жәндіктердің, тіпті адам миының денесінде кездеседі. Бір теория бойынша, олар Жердің магнит өрісіне бағдарлау үшін қолданылады.

Жасанды магниттік нанобөлшектер (IMN) магнитосомалармен салыстырғанда цитотоксичность мен генотоксичность айтарлықтай көп көрсетеді, және пайдаланылған кезде ткань некрозының ықтималдығы әлдеқайда жоғары. Осылайша, қытайлық зерттеушілер эксперимент жүргізді, онда IMN немесе магнетосомалар адамның торшасының пигментті эпителийлі жасушалық мәдениетіне енгізілді (Ғылыми есептер, 2016, 6, 2696). Магнитосомдармен өңделген ұяшықтар қалыпты морфологияны сақтады, ал IMN жасушалары жойылды. Екі магнитосома мен IMN генотоксичность бар. Алайда, IMN-тің келтірген зақымдануы айтарлықтай болды және клеткалардың өзін-өзі бұзуына әкелді (апоптоз), ал магнетосомдармен емделетін жасушаларда апоптоздар басым болды.

Биожүйемдік магнитосомалардың бірегей қасиеттерін қамтамасыз етеді: фосфолипидті қабық, жоғары кристаллик және химиялық тазалық, күшті магнитизация, пішін мен өлшемді біркелкі бөлу. Олар жасанды магниттік нанобөлшектерді толығымен алмастыра алады деп болжанады.

Магнитосомалардың кейбір аспектілерін қарастырайық.

Мембраналық модификация

Сурет. 7 Магнитосомалар мембранасына түрлі функционалдық топтарды енгізу: а – ферменттер мен флюорофор белгілерін иммобилизациялау (мысалы, жасыл флуоресцентті протеин); б – биотинмен белгіленген биомолекулаларды (ДНҚ немесе антиденелер) бекітуге арналған стрептавидин этикеткалары және гибридті ақуыздарды (бастапқыда жеке ақуыздарды кодтайтын бірнеше «өзара байланысты» гендердің білдіруі арқылы алынған) қолдану; ішінде – ДНҚ сілтемесі арқылы алтын бөлшектер немесе кванттық нүктелер бар кешендерді қалыптастыру; g – өзгертілген магнетосомалық мембраналық ақуыздарды және иммуноглобулинді байланыстыратын белоктарды қолдану. ММ – магнитосомалық мембрана, Mmp – магнитосомалық белоктар, SAV – стрептавидин

Магнитосомалық мембрана клеткалардың және органеллалардың мембраналарына ұқсас, көптеген сигнал молекулаларының табиғи тасымалдаушысы болып табылады. Гендік инженерия әдістері модифицирленген мембрана бар магнитосомаларды, мысалы интегралды ақуыздармен қамтамасыз етеді (Cурет 7). Осылайша бактериялық магнетосомалар жасанды магниттік бөлшектерге иммобилизациядан гөрі 40 есе көп белсенділікті көрсеткен екі ферментті, глюкооксидазаны және уриказаны иммобилизациялау үшін қолданылдыҚолданбалы микробиология және биотехнология, 1987, 26, 4, 328-332).

Жер бетінде иммобилизденген антиденелер бар магнитосомалар аллергендер мен эпителиальді карцинома жасушаларын табуды қоса алғанда, ферменттер иммуноанализдерінде қолданыла алады. Егер магнетосомдар белгілі бір жасушаларға тән антиденелермен жабылған болса, бұл жасушалар биологиялық сұйықтықтардан тікелей оқшаулануы мүмкін: магнит тегі оларды жинауға оңай етеді.

Дәрі-дәрмекпен қамтамасыз ету

Тәжірибелер бар, онда препарат ісікке магнетосомдар арқылы емес, бүкіл MTB жасушалары арқылы жеткізіледі (Табиғат нанотехнологиясы, 2016, 11, 941-947). Жасушаларды шиелендіру Magnetococcus marinus MC-1 шамамен 70 есірткіге салынған нанолипозомдарды тіркеді және бұл бактерияларды ісік ауруына ұшыраған иммундық жетіспейтін тышқандарға енгізді. Магнитті бақылауда, МС-1 жасушаларының 55% дейін ісікке енген. Бұл жағдайда гипоксия – оттегінің жетіспеушілігі – ісік тініне тән, сондықтан магнитті-аэротактикалық мінез-құлыққа ие микроағзаларды қолдану терапияны әлдеқайда тиімді ете алады.

Генді жеткізу

Антигенге тән иммунитетке қол жеткізу үшін тартымды заманауи көзқарас – ДНҚ вакциналары деп аталады: организмге қорғаныштық реакциялар тудыратын нақты гендер бар ДНҚ енгізіледі.Дегенмен, қазіргі уақытта ДНҚ вакциналарын антигенмен ұсынатын жасушаларға жеткізудің оңай және тиімді жүйесі жоқ. Магнитосомалар бұл рөлге жақсы қарсылас болып табылады. Мысалы, магнитосомаға негізделген ДНҚ вакцинасы ісіктерге қарсы жүйелік иммундық жауапты арттырды және ешқандай уытты әсерлер байқалмады (мысалы,Генді терапия, 2012, 19(12), 1187-1195).

Магнитті резонансты бейнелеу

Магнитосомалардың арқасында көптеген ауруларды диагностикалау мен емдеуде революция күтілуде. Магнитті резонансты бейнелеу (МРТ) – бұл ядролық магниттік резонанс қағидаттарына негізделген бейнелеу әдісі, ол ең алдымен ішкі органдардың жоғары сапалы суреттерін алу үшін қолданылады. Өте сезімтал МРТ үшін контраст агенттер жиі пайдаланылады, бұл кескінді дәлірек етеді – мысалы, біркелкі өлшемі мен пішіні бар магниттік нанобөлшектер.

Магнитосомалардың контрастын тиімділігі тінтуір миының тамырлы желісін визуализация кезінде зерттелген (8-сурет). Тіпті олардың кішкентай дозасы жақсы сурет алуға мүмкіндік берді. Салыстыру үшін контрастын агенттерінің екі түрін (темір оксидінің жасанды магнитті наночастиці, магнитосома) және тұзды бақылау ретінде таңдадық.Ең үлкен магниттік белсенділік магнетосомаларда байқалды, тиісінше ангиограммалар көрінетінЖетілдірілген денсаулық сақтау жабдықтары, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Сурет. 8 Контраст агентінің клиникалық дозасын енгізуден кейін тінтуір миының 3D ангиографтары: а – 100 мкл тұзды; б – 100 мкл темір оксиді, 20 мкмоль / кг; ішінде – 100 мкл магнитосомы MV-1, 20 мкмоль / кг

Гипертермия

Магнитті сұйықтық гипертермиясы (MZHG) – тікелей ісікке магнитосомалар бар сұйықтықты инъекциялау, содан кейін айналасындағы айналмалы магнит өрісінің генерациясы. Бұл жағдайда ісік магниттік нанобөлшектермен бөлінетін жылу арқылы жойылады, ал сау тіндердің қызуы мүмкін емес. Экспериментте магнетосомдар химиялық синтезделген темір тотығымен салыстырғанда антисуморлық тиімділікті (ісіктің толық жоғалуы) көрсетті және тышқандардың өмір сүру деңгейі айтарлықтай жоғары болды (Тераностика, 2017; 7(18), 4618-4631; Биотехнологияға сыни шолу, 2016; 36(5), 788-802).

Өмір туралы ғылымдар ғана емес

Магнитосомдар геологтардың, палеонтологтардың және астробиологтардың қызығушылығын тудырды. Басқа дереккөздер болмаған жағдайда, магнетосомдар қалдық магниттік индукцияның жалғыз тасымалдаушылары бола алады. Изотоптық талдауды және басқа әдістерді қолдану арқылы, магнитосомалардан тұратын шөгінділердің жасын анықтауға боладыЖердің магнит өрісінде сол кездегі өзгерістер болды ма? Ақыр соңында – полюстердің өзгеруі туралы, олардың шыққан тарихы, тектоникалық плиталардың қозғалысы және тағы басқаларҚолданбалы микробиологиядағы жетістіктер, 2007, 62, 21-62).

Осылайша, магнитосомалар ғылым мен техниканың әр түрлі салаларында қолданылады. Магнитотактикалық бактерияларды өсіру әдістері қарқынды дамып келеді, штамдардың өнімділігі үнемі өсуде. Мүмкін, алдағы бірнеше онжылдықтарда бактериалды «нанокомпозицалар» маңызды биотехнологиялық өнім, медициналық изотоптар және флуоресцентті протеиндермен бірге болады.

Әдебиет
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Экология, әртүрлілік және магнетотактикалық бактериялардың эволюциясы // Микробиология және молекулярлық биология. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128 / MMBR.00021-13.
2. Лей Ян, Шуан Чжан, Пэн Чен, Хето Ли, Хуананьу Йин, Хонгю Ли. Магнетотактикалық бактериялар, магнитосомдар және оларды қолдану // Микробиологиялық зерттеулер. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016 / j.micres.2012.04.002.
3. Б. Төменгі, Д.Базылинский. Бактериялық магнитосома: бірегей прокариотикалық органель // Молекулалық микробиология және биотехнология журналы. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159 / 000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Магнитотактикалық бактериялардағы магнитосомалық биогенез // Табиғатты шолу микробиологиясы. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038 / nrmicro.2016.99.
5. Магнитотактикалық бактериялар: келешектің наноқұрылымдары // Биотехнологиядағы сыни пікірлер. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109 / 07388551.2015.1046810.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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