Живые магниты

Живые магниты

Лолита Алексеева, Вероника Козяева
"Химия и жизнь" №4, 2018

Существуют микроорганизмы, способные ориентироваться в магнитном поле, — магнитотактические бактерии. Помогают им в этом магнетосомы — наноразмерные парамагнитные частицы, одетые липидной мембраной. Но магнетосомы нужны не только бактериям. Это их изобретение, наряду с антибиотиками и системой CRISPR для специфического разрезания ДНК, охотно заимствуют люди.

МТБ: кто они такие?

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

Железо входит в состав ферментов и переносчиков электронов, которые участвуют в процессах метаболизма, в том числе таких фундаментальных, как фотосинтез, дыхание и т. д. Микроорганизмы используют различные формы железа в энергетических процессах — в качестве доноров или акцепторов электронов.

Однако некоторые бактерии нашли этому элементу другое применение. Они продуцируют магнетосомы — магнитные кристаллы, покрытые мембраной и функционирующие как навигационные устройства. Такие бактерии получили название магнитотактических. Впервые в рецензируемом журнале их описал микробиолог из Океанографического института Вудс-Хол Ричард Блэкмор в 1975 году. Магнитотактические бактерии (МТБ) обитают в водных экосистемах и могут перемещаться вдоль линий магнитного поля. Все они микроаэрофилы или анаэробы, то есть для жизнедеятельности предпочитают условия с небольшим содержанием кислорода или вообще без него.

Рис. 1. Разнообразная морфология МТБ: а — вибрион; б, г — палочки; в — кокк; д — спирилла; е — "многоклеточная" бактерия. Изображение: Microbiological Research, 2012, 167(9): 507-519.

Морфология этих бактерий может быть различной — среди них есть спириллы, кокки, палочки, вибрионы (рис. 1). Встречаются и магнитотактические "многоклеточные" бактерии — агрегаты клеток, например Candidatus Magnetoglobus multicellularis, Ca. Magnetomorum litorale и Ca. Magnetananas tsingtaoensis. Способность к синтезу магнетосом не является филогенетическим признаком, их представители относятся к различным филогенетическим группам (рис. 2). С другой стороны, среди одного класса и даже рода есть как МТБ, так и немагнитотактические бактерии.

Магнетосомы, эти уникальные органеллы, содержат кристаллы соединений железа размером в несколько нанометров. Кристаллы могут состоять из магнетита Fe3O4 или грейгита Fe3S4. Размер магнетосом — приблизительно 35-120 нм, а форма, размер и внутриклеточная организация бывают самыми разнообразными (рис. 3).

Рис. 2. Основные филогенетические группы, среди которых были обнаружены магнитотактические бактерии и некоторые их представители. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

Рис. 3. Формы магнетосом: а — кубоктаэдрические; бв — удлиненные призматические; г — зубовидные; д — пулевидные. Изображение: Nature Reviews Microbiology, 2016, 14, 621-637.

Биоминерализация магнетосом

В настоящее время выявлено более 40 генов, которые кодируют белки, связанные с синтезом магнетосом. Все гены, отвечающие за биоминерализацию магнетосом, собраны в одном месте бактериальной хромосомы — в так называемом магнетосомном геномном острове (MAI). Он состоит из нескольких оперонов. (Оперон — участок хромосомы с набором генов, продукты которых обеспечивают определенную функцию клетки, например транспорт и усвоение некого вещества, так что логично все эти гены активировать одновременно.) Существует набор консервативных генов, которые найдены у всех МТБ: mamA, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

Рис. 4. Схема строения магнетосомы. Изображение: 2015.igem.org

Магнитный кристалл окружает мембрана. Она образуется из впячивания цитоплазматической мембраны клетки и состоит из липидного бислоя толщиной 3-4 нм, в который встроены специфические белки, отвечающие за синтез магнетосом (рис. 4). Таким образом, сначала формируются магнетосомные пузырьки (везикулы), затем внутри них накапливается железо.

После того как железо благополучно доставлено в магнетосомную везикулу, начинается следующая стадия — нуклеация, или зарождение кристаллов, которую регулируют специфичные для МТБ белки. Они располагаются на поверхности магнетосомной мембраны и внутри везикулы. Кристаллы в зрелых магнетосомах сходны по размеру и форме.

С помощью специального белка МamJ везикулы прикрепляются к параллельным цитоскелетным нитям (рис. 5). Эти нити образованы белком МamK.

Рис. 5. Этапы образования магнетосомной цепи: а — клетка без магнетосом; б — магнетосомные везикулы (показаны кружками); в — транспорт железа в везикулы; г — сборка магнетосомной цепи (звездочка — МamJ; 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. Изображение: Nature Reviews Microbiology, 2016, 14, 621-637.

Навигация

Каждая магнетосома обладает магнитным моментом и представляет собой магнит с северным и южным полюсами. Чем длиннее магнетосомная цепочка, тем больше магнитный момент и, соответственно, сильнее магнит. Эти цепи — клеточные датчики, улавливающие направление и градиенты магнитных полей.

Так для чего это нужно бактериям?

Основная гипотеза связана с поиском благоприятных условий. Мы не случайно упомянули, что МТБ — микроаэрофилы или анаэробы: избыток кислорода им не нравится. Оптимальные для них параметры часто находятся в области придонных осадков, там, где существует переход между кислородной и бескислородной зонами. Используя магнетосомы как миниатюрный встроенный компас, они ориентируются вдоль линий магнитного поля и движутся с помощью жгутиков, варьируя глубину погружения. Магнитные линии на большей части земного шара (кроме экваториальной зоны) направлены под углом к поверхности, поэтому движение вдоль них обязательно приведет ко дну. Кроме того, бактерии ориентируются на аэротактические сигналы — изменение концентрации кислорода, Такой тип движения называется магнитотаксисом или магнитоаэротаксисом (рис. 6).

Рис. 6. Магнитоаэротаксис. В Северном полушарии МТБ стремятся к магнитному югу и называются северо-ищущими, в Южном полушарии — юго-ищущими

Разумеется, механизм восприятия магнитного поля МТБ гораздо сложнее, чем простое ориентирование по силовым линиям. Исследования штамма Magnetospirillum magneticum AMB-1 показали, что бактерия также может ориентироваться относительно градиентов магнитных полей, исходящих от различных предметов, будь то обычный магнит или донные магнитные отложения (ISME J., 2015 9(6), 1399-1409). Такая чувствительность может обеспечивать защиту клеток от примагничивания к источникам магнитного поля в местах их обитания. К примеру, когда бактерия окажется вблизи скоплений магнетита, образовавшихся при отмирании других подобных бактерий, есть вероятность, что ее удержат на этом месте собственные магнетосомы, если она вовремя не начнет движение в другую сторону.

Высказываются и мнения о том, что магнетосомы могут играть в клетках иную роль, не связанную с ориентированием. Маловероятно, чтобы они выполняли функцию запасания железа: магнетосомы присутствуют в клетках даже при дефиците этого элемента в окружающей среде. Существует предположение, что биоминерализация магнетосом может быть частью древнего метаболического пути, в котором магнетосомы играли роль хранилища ионов железа, используемых как акцепторы или доноры электронов в клеточных энергетических процессах (Environmental Microbiology Reports, 2017). Однако эта версия еще нуждается в экспериментальном подтверждении.

Биотехнологическое применение магнетосом

Искусственные наночастицы с постоянным или наведенным магнитным моментом сейчас используются в самых разных отраслях: от коммерческих наборов для выделения биомолекул до медицинских препаратов. Для медицинских применений их обычно одевают в капсулы или биоинертные матрицы из органических соединений. Под воздействием магнитного поля они перемещаются по организму и выполняют различные функции: связываются с клетками, доставляют лекарственные препараты и т. д.

Безопасны ли для организма магнитные наночастицы? Хотя большинство компонентов живых организмов слабо диамагнитны, обнаружилось, что некоторые организмы несут в себе парамагнитные частицы (обычно магнетит). Например, кристаллы магнетита присутствуют в организме птиц, некоторых насекомых и даже в человеческом мозге. Согласно одной из теорий они служат для ориентирования в магнитном поле Земли.

Искусственные магнитные наночастицы (ИМН) демонстрируют значительно большую цитотоксичность и генотоксичность по сравнению с магнетосомами, и вероятность некроза тканей при их использовании гораздо выше. Так, китайские исследователи провели эксперимент, при котором в культуру клеток пигментного эпителия сетчатки человеческого глаза вводили ИМН или магнетосомы (Scientific Reports, 2016, 6, 2696). Клетки, обработанные магнетосомами, сохраняли нормальную морфологию, в то время как клетки с ИМН разрушались. И магнетосомы, и ИМН обладают генотоксичностью. Однако повреждения, вызванные ИМН, были существенными и приводили к самоуничтожению клеток (апоптозу), тогда как в клетках, обработанных магнетосомами, апоптоз, как правило, подавлялся.

Вероятно, биосовместимость обеспечивают уникальные свойства магнетосом: фосфолипидная оболочка, высокая кристалличность и химическая чистота, сильная намагниченность, равномерное распределение формы и размера. Предполагается, что они смогут полностью заменить искусственные магнитные наночастицы.

Рассмотрим некоторые аспекты применения магнетосом.

Модификация мембраны

Рис. 7. Введение различных функциональных групп в мембрану магнетосом: а — иммобилизация ферментов и флуорофорных меток (например, зеленого флуоресцентного белка); б — использование гибридных белков (полученных экспрессией нескольких "сшитых" генов, изначально кодировавших отдельные белки) и стрептавидиновых меток для заякоривания биомолекул (ДНК или антитела), помеченных биотином; в — образование комплексов с частицами золота или квантовыми точками с помощью ДНК-линкеров; г — использование модифицированных белков мембраны магнетосом и иммуноглобулин-связывающих белков. MM — магнетосомная мембрана, MMP — магнетосомные белки, SAV — стрептавидин

Мембрана магнетосомы, подобная мембранам клеток и органелл, — естественный носитель для многих сигнальных молекул. Методы генной инженерии позволяют создавать магнетосомы с модифицированной мембраной, например со встроенными белками (рис. 7). Так, бактериальные магнетосомы были использованы для иммобилизации двух ферментов — глюкооксидазы и уриказы, которые демонстрировали в 40 раз большую активность, чем при иммобилизации на искусственных магнитных частицах (Applied Microbiology and Biotechnology, 1987, 26, 4, 328-332).

Магнетосомы с иммобилизованными на поверхности антителами можно использовать для иммуноферментных анализов, включая детекцию аллергенов и клеток карциномы эпителия. Если покрыть магнетосомы антителами, специфичными для определенных клеток, эти клетки можно будет выделить непосредственно из биологических жидкостей: магнитная метка позволит легко их собрать.

Направленная доставка лекарственных препаратов

Есть эксперименты, в которых лекарство в опухоль доставляют не магнетосомы, а целые клетки МТБ (Nature Nanotechnology, 2016, 11, 941-947). К клеткам штамма Magnetococcus marinus MC-1 прикрепили примерно 70 нанолипосом, нагруженных лекарством, и ввели этих бактерий иммунодефицитным мышам, которым были привиты опухоли. Под магнитным контролем в опухоли проникало до 55% клеток MC-1. В данном случае примечательно еще и то, что для опухолевых тканей характерна гипоксия — дефицит кислорода, поэтому использование микроорганизмов, проявляющих магнитоаэротактическое поведение, может сделать терапию гораздо эффективнее.

Доставка генов

Привлекательный современный подход для достижения антиген-специфического иммунитета — так называемые ДНК-вакцины: в организм вводят ДНК со специфичными генами, продукты которых вызывают защитные реакции организма. Однако в настоящее время отсутствует легкая и эффективная система доставки ДНК-вакцины в антигенпрезентирующие клетки. Магнетосомы — хороший претендент на эту роль. Например, проводились опыты на мышах, в которых ДНК-вакцина на основе магнетосом увеличила системный иммунный ответ против опухолей, при этом не наблюдалось токсического воздействия (Gene Therapy, 2012, 19(12), 1187-1195).

Магнитно-резонансная томография

Благодаря магнетосомам ожидается революция в диагностике и лечении многих заболеваний. Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это метод визуализации, основанный на принципах ядерного магнитного резонанса, применяется он в первую очередь для получения высококачественных изображений внутренних органов. Для сверхчувствительной МРТ обычно используют контрастные агенты, которые делают изображение более точным, — например, магнитные наночастицы с однородными размером и формой.

Была исследована контрастная эффективность магнетосом при визуализации сосудистой сети мозга мыши (рис. 8). Даже небольшая их доза позволила получить хорошую картинку. Для сравнения выбрали два вида контрастных веществ (искусственные магнитные наночастицы из оксида железа, магнетосомы) и физиологический раствор в качестве контроля. Наибольшая магнитная активность наблюдалась у магнетосом, соответственно, ангиограммы были более наглядными (Advanced Нealthcare Мaterials, 2015, 4, 7, 1076-1083).

Рис. 8. 3D-ангиограммы головного мозга мыши после инъекции клинической дозы контрастного вещества: а — 100 мкл физраствора; б — 100 мкл оксида железа, 20 мкмоль/кг; в — 100 мкл магнетосом MV-1, 20 мкмоль/кг

Гипертермия

Магнитная жидкостная гипертермия (МЖГ) — инъекция жидкости, содержащей магнетосомы, прямо в опухоль, а затем генерирование переменного магнитного поля вокруг нее. При этом опухоль уничтожается за счет тепла, рассеиваемого магнитными наночастицами, а здоровые ткани не нагреваются. В эксперименте магнетосомы демонстрировали более высокую противоопухолевую эффективность (с полным исчезновением опухоли) по сравнению с химически синтезированным оксидом железа, и выживаемость мышей была существенно выше (Theranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; Critical Review in Biotechnology, 2016; 36(5), 788-802).

Не только науки о жизни

Магнетосомы также стали предметом интереса геологов, палеонтологов, астробиологов. 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, содержащих магнетосомы, и о том, происходили ли в тот период изменения в магнитном поле Земли. А в итоге — о смене полюсов, истории их происхождения, движении тектонических плит и о многом другом (Advances in Applied Microbiology, 2007, 62, 21-62).

Таким образом, магнетосомы находят применение в различных областях науки и техники. Стремительно развиваются методы культивирования магнитотактических бактерий, продуктивность штаммов непрерывно повышается. Возможно, в ближайшие несколько десятилетий бактериальные "нанокомпасы" станут важным биотехнологическим продуктом, наравне с медицинскими изотопами и флуоресцентными белками.

Литература
1. C. T. Lefevre, D. A. Bazylinski. Ecology, Diversity, and Evolution of Magnetotactic Bacteria // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2013, 77, 3, 497-526; DOI: 10.1128/MMBR.00021-13.
2. Lei Yan, Shuang Zhang, Peng Chen, Hetao Liu, Huanhuan Yin, Hongyu Li. Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application // Microbiological Research. 2012, 167, 507-519; DOI: 10.1016/j.micres.2012.04.002.
3. B. H. Lower, D. A. Bazylinski. The Bacterial Magnetosome: A Unique Prokaryotic Organelle // Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23, 63-80; DOI: 10.1159/000346543.
4. R. Uebe, D. Schüler. Magnetosome biogenesis in magnetotactic bacteria // Nature Review Microbiology. 2016, 14, 621-637. DOI: 10.1038/nrmicro.2016.99.
5. Mathuriya A. S. Magnetotactic bacteria: nanodrivers of the future // Critical Reviews in Biotechnology. 2016, 36, 5, 788-802, DOI: 10.3109/07388551.2015.1046810.


Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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