リビングマグネット

リビングマグネット

ロリータ・アレクシーバ、ヴェロニカ・コジエワ
"化学と生命"№4、2018

磁場中に自ら配向することができる微生物 – 磁気感受性細菌 – が存在する。磁気圏は、脂質膜として身に着けられたこのナノスケールの常磁性粒子でそれらを助ける。しかし、細菌にはマグネソソームが必要なだけではありません。本発明のこれらの発明は、抗生物質および特定のDNA切断のためのCRISPRシステムと共に、人々によって容易に借用される。

MTB:彼らは誰ですか?

鉄は、地球上で最も接近可能な化学元素の一つであり、生物にとって最も重要な元素の一つです。鉄の生物地球化学的循環は、2つの主な反応、すなわち、還元および酸化、すなわち、3価および2価の鉄の相互変換(Fe3+ ↔Fe2+).

鉄は、光合成、呼吸などの基本的なものを含む代謝プロセスに関与する酵素および電子キャリアの一部である。微生物は、エネルギープロセスにおいて、電子供与体または受容体として様々な形態の鉄を使用する。

しかしながら、いくつかの細菌はこの要素の別の用途を見いだしている。彼らはマグネトソーム(磁気結晶、膜で覆われ、ナビゲーションデバイスとして機能する)を生成する。このような細菌は磁気感受性と呼ばれる。査読を終えたジャーナルで初めて、1975年に、Woods-Hole海洋学研究所のリチャード・ブラックモアの微生物学者がそれらを記述しました。磁気粘性細菌(MTB)は水生生態系に生息し、磁力線に沿って移動することができます。それらはすべて微小惑星または嫌気性物質であり、人生では酸素含量がほとんどない状態を好む。

図1 1。 MTBの多様な形態: a – ビブリオ; b, g – 棒; – コクシ; d – スピリチル。 e – 「多細胞」細菌。画像: 微生物学的研究, 2012, 167(9): 507-519.

これらの細菌の形態は異なっていてもよい – それらの中には、渦糸状菌、球菌、スティック、ビブリオ(図1)がある。また、磁気磁気「多細胞」細菌 – 細胞凝集体も存在する Candidatus (Magnetoglobus multicellularis) Ca. マグネトマムリトレールおよび Ca。 Magnetananas tsingtaoensis。マグネトソームを合成する能力は系統発生形質ではなく、その代表者は異なる系統群に属している(図2)。一方、1つのクラス、さらには属の中には、MTBと非磁気磁気細菌の両方があります。

これらの独特なオルガネラには数ナノメートルの大きさの鉄化合物の結晶が含まれています。結晶はマグネタイトFe3O4 またはgreigit Fe3S4。マグネトソームのサイズは約35-120nmであり、形状、サイズ、および細胞内の構成は非常に多様である(図3)。

図1 2 主要な系統発生群の中で、磁気粘性細菌とその代表者の一部が発見された。 Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2013, 23(1-2): 63-80.

図1 3 マグネトソームの形態: a – cuboctahedral; b – 細長いプリズム状。 g – 歯; d – 弾丸。画像: Nature Reviews微生物学, 2016, 14, 621-637.

マグネトソームバイオミネラリゼーション

現在、40種類以上の遺伝子が同定されており、これらはマグネトソームの合成に関連するタンパク質をコードする。マグネトソームのバイオミネラリゼーションの原因となる全ての遺伝子は、いわゆるマグネトソームゲノムアイランド(MAI)において、細菌染色体の1つの場所に集められる。それはいくつかのオペロンで構成されています。 (オペロンは染色体の一部であり、その産物は特定の物質の輸送や同化などの特定の細胞機能を提供するため、これらの遺伝子を同時に活性化することは論理的です)。すべてのMTBに見られる一連の保存的遺伝子があります: ママ, mamB, mamC, mamD, mamE, mamK, mamO, mamP, mamQ.

図1 4 マグネトソームの構造図。画像:2015.igem.org

磁気結晶が膜を囲んでいる。それは、細胞の細胞質膜の陥入から形成され、厚さ3〜4nmの脂質二重層からなり、そこには、マグネトソームの合成を担う特定のタンパク質が挿入される(図4)。このようにして、磁気ソームの泡(小胞)が最初に形成され、その後鉄がそれらの内部に蓄積する。

鉄が磁気小胞に安全に送達された後、MTB特異的タンパク質によって調節される結晶の核形成または核形成が開始される。それらは、磁気細胞膜の表面上および小胞内に位置する。成熟マグネトソームの結晶は、サイズと形状が似ています。

特殊なMamJタンパク質を使用して、小胞は平行な細胞骨格フィラメントに付着しています(図5)。これらの糸は、MamKタンパク質によって形成される。

図1 5 マグネトソーム鎖の形成段階: a – マグネトソームのない細胞。 b – マグネトソーム小胞 マグカップ); – 小胞への鉄の輸送; g – マグネトソーム鎖の組み立て(アスタリスク – MamJ; 点線 – MamKスレッド); d – 細胞分裂、細胞が曲がると磁力が減少し、細胞壁が一方向に深くなる。 e – マグノソームの鎖がMamKストリングに沿って細胞の中心に移動する。画像: Nature Reviews微生物学, 2016, 14, 621-637.

ナビゲーション

それぞれの磁気圏は磁気モーメントを持ち、北極と南極を持つマグネットです。磁気チェインチェーンが長いほど、磁気モーメントが大きくなり、したがって磁石が強くなる。これらの鎖は、磁界の方向および勾配を検出する細胞センサである。

それでバクテリアはなぜそれを必要としますか?

主な仮説は、好ましい条件の探索に関する。私たちは、MTBが微好気性または嫌気性であることは当然のこととして言及していませんでした。過剰な酸素が好きではありません。それらのための最適なパラメータは、しばしば酸素と無酸素ゾーンとの間の遷移がある底質堆積物の領域にある。マグネットソームをミニチュア内蔵のコンパスとして使用して、磁力線に沿って向きを変え、ダイバーの深さを変えて鞭毛の助けを借りて動きます。地球の大部分(赤道域を除く)の磁気線は、ある角度を持って表面に向けられているため、それらに沿った動きは必然的に底につながります。さらに、細菌は、酸素濃度の変化である空走的シグナルに向けられています。このタイプの動きは、磁気揺動または磁気揺らぎと呼ばれます(図6)。

図1 6 磁気エアロテックス。北半球では、MTBは磁気南部に向かい、南半球では北シーカー、南シーカー

もちろん、MTBの磁場の知覚のメカニズムは、力の線に沿った単純な方向よりもずっと複雑です。ひずみ研究 マグネトスピリラム磁気 AMB-1は、バクテリアが、規則的な磁石または底部磁気沈着物である(ISME J.、2015 9(6)、1399-1409)様々な物体から発する磁場の勾配に関して配向することもできることを示した。このような感受性は、細胞がその生息地における磁場源への磁化から保護することができる。例えば、細菌が他の類似の細菌の絶滅の間に形成されたマグネタイトのクラスターに近いことが判明した場合、時間の反対方向に移動しなければ、それ自身のマグネソソームがこの場所に保持される可能性が高い。

マグノソームは、配向に関係しない細胞において異なる役割を果たすという意見が示されている。彼らは鉄貯蔵の機能を果たしているとは考えにくい:環境中のこの元素の欠乏にもかかわらず、磁気細胞が細胞内に存在する。マグネトソームのバイオミネラリゼーションは古代の代謝経路の一部である可能性が示唆されており、磁気エネルギーは、細胞エネルギー過程で受容体または電子供与体として使用される鉄イオンの貯蔵の役割を果たした(環境微生物学レポート、2017)。しかし、このバージョンは実験的な確認が必要です。

バイオテクノロジーによるマグネソソームの利用

一定または誘起された磁気モーメントを有する人工ナノ粒子は、現在、生体分子の単離のための市販キットから医療用医薬品まで、様々な産業で使用されている。医療用途のために、それらは通常、有機化合物のカプセルまたは生体不活性マトリックス上に置かれる。磁場の影響を受けて、彼らは身体の周りを移動し、様々な機能を果たします。: 細胞に結合し、薬物などを送達する。

磁性ナノ粒子は体に安全ですか?生物のほとんどの成分は反磁性が弱いが、常磁性粒子(通常マグネタイト)を担持する生物もあることが判明した。例えば、マグネタイト結晶は、鳥の体内、いくつかの昆虫、さらには人間の脳内に存在する。 1つの理論によれば、それらは地球の磁場における配向に用いられる。

人工磁気ナノ粒子(IMN)は、磁気細胞と比較して著しく高い細胞傷害性および遺伝毒性を示し、使用時の組織壊死の可能性がはるかに高い。そこで、中国の研究者らは、ヒト網膜の色素上皮細胞培養物にIMNまたはマグネソソームを注入する実験を行った(科学的レポート、2016,6,2696)。磁気細胞で処理された細胞は正常な形態を維持したが、IMNを有する細胞は破壊された。マグネトソームとIMNの両方に遺伝毒性がある。しかし、IMNによって引き起こされる損傷は有意であり、細胞自己破壊(アポトーシス)をもたらしたが、磁気細胞で処理された細胞では、アポトーシスは一般に抑制された。

生体適合性は、リン脂質シェル、高い結晶化度および化学純度、強い磁化、形状および大きさの均一な分布といった、マグネトソームの固有の特性を提供する可能性が高い。人工磁気ナノ粒子を完全に置き換えることができると想定されている。

マグネトソームの使用のいくつかの側面を考慮する。

膜修飾

図1 7 様々な官能基のマグネトソーム膜への導入: a – 酵素およびフルオロフォア標識(例えば、緑色蛍光タンパク質)の固定化。 b – ビオチンで標識された生体分子(DNAまたは抗体)を固定するためのハイブリッドタンパク質(本来個々のタンパク質をコードするいくつかの「架橋」遺伝子の発現によって得られる)およびストレプトアビジン標識の使用。 – DNAリンカーを用いた金粒子または量子ドットとの複合体の形成; g – 修飾マグネトソーム膜タンパク質および免疫グロブリン結合タンパク質の使用。 MM – 磁気細胞膜、 Mmp – 磁気ソマトタンパク質、 SAV – ストレプトアビジン

細胞およびオルガネラの膜に類似した、磁気細胞膜は、多くのシグナル伝達分子のための天然のキャリアである。遺伝子工学の方法では、例えばタンパク質を組み込んだ改変膜を持つマグネトソームを作製することができます(図7)。このように、細菌性マグネトソームを用いてグルコキシダーゼとウリカーゼの2種類の酵素を固定化し、人工磁性粒子に固定化した場合よりも40倍の活性を示した応用微生物学とバイオテクノロジー, 1987, 26, 4, 328-332).

表面上に固定化された抗体を有する磁気顕微鏡は、アレルゲンおよび上皮癌細胞の検出を含む酵素イムノアッセイに使用することができる。磁気細胞が特定の細胞に特異的な抗体でコーティングされている場合、これらの細胞は生物学的液体から直接単離することができる。磁気タグはそれらを容易に集合させる。

指向性薬物送達

薬物が、磁気的にではなく、全MTB細胞によって腫瘍に送達される実験がある自然ナノテクノロジー、2016、11、941-947)。細胞を増殖させる マグネトコッカスマリナス MC-1は約70個の薬剤充填ナノリポソームを付着させ、腫瘍を接種した免疫不全マウスにこれらの細菌を導入した。磁気制御下では、55%までのMC-1細胞が腫瘍に浸透した。この場合、低酸素 – 酸素欠乏症は腫瘍組織の特徴であることも注目に値するので、磁気浮遊挙動を示す微生物の使用は、治療をより効果的にすることができる。

遺伝子送達

抗原特異的免疫を達成するための魅力的で現代的なアプローチ – いわゆるDNAワクチン:特定の遺伝子を有するDNAが体内に導入され、その産物が身体の保護反応を引き起こす。しかしながら、現在、抗原提示細胞へのDNAワクチンの送達のための容易かつ有効なシステムは存在しない。磁気圏は、この役割のための良い競争相手です。例えば、磁気ソームベースのDNAワクチンが腫瘍に対する全身免疫応答を増加させ、毒性効果は観察されなかったマウスで実験を行った遺伝子治療, 2012, 19(12), 1187-1195).

磁気共鳴イメージング

マグネトソームのおかげで、多くの病気の診断と治療の革命が期待されます。磁気共鳴イメージング(MRI)は、核磁気共鳴の原理に基づく視覚化方法であり、主として内部器官の高品質画像を得るために使用される。超高感度MRIでは、像をより正確にする造影剤が一般的に使用されている(例えば、均一なサイズおよび形状を有する磁性ナノ粒子)。

マウス脳の血管ネットワークを視覚化する際に、磁気細胞の対比効率を調べた(図8)。少量でも良い画像を得ることができました。比較のために、対照として2つのタイプの造影剤(酸化鉄の人工磁性ナノ粒子、マグネトソーム)と生理食塩水を選択した。最も大きな磁気活動が、それぞれ、磁気圏で観察され、血管造影は、より可視的であった(高度な医療用品, 2015, 4, 7, 1076-1083).

図1 8 造影剤の臨床用量の注射後のマウス脳の3D血管造影図: a 100μlの生理食塩水; b ・100μlの酸化鉄、20μmol/ kg; – 100μlのマグネソームMV-1,20μmol/ kg

温熱療法

MZHG(Magnetic Liquid Hyperthermia)は、腫瘍に直接的にマグネトソームを含む液体を注入し、その周囲に交番磁界を発生させるものです。この場合、腫瘍は磁性ナノ粒子の熱によって破壊され、健康な組織は加熱されない。実験では、化学合成された酸化鉄と比較して、マグネトゾームがより高い抗腫瘍効果(腫瘍の完全な消失を伴う)を示し、マウスの生存率が有意に高かったTheranostics, 2017; 7(18), 4618-4631; バイオテクノロジーにおける重要なレビュー, 2016; 36(5), 788-802).

ライフサイエンスだけでなく

磁気圏はまた、地質学者、古生物学者、および星生物学者の関心の対象となっている。事実、他の情報源が存在しない場合、磁気磁気は磁気誘導の唯一のキャリアとなり得る。同位体分析などの方法を用いて、マグネトソームを含む堆積物の年代を判断することができる。その時、地球の磁場に変化が生じましたか?そして最後には、極の変化、その起源の歴史、地殻変動プレートなどの多くのことについて(応用微生物学の進歩, 2007, 62, 21-62).

従って、マグネトソームは科学技術の様々な分野で使用されている。磁気粘性細菌を栽培する方法は急速に発展しており、菌株の生産性は絶えず増加している。おそらく今後数十年、バクテリアの「ナノ複合体」は医療用同位体や蛍光タンパク質とともに重要なバイオテクノロジー製品になるでしょう。

文学
1. C. T. Lefevre、D.A. Bazylinski。エコロジー、多様性、進化 微生物学と分子生物学のレビュー。 2013年、77巻、3号、497-526頁; DOI:10.1128 / MMBR.00021-13。
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3. B.H. Lower、D.A. Bazylinski。バクテリア・マグネトソーム:ユニークな原核生物オルガネラ// Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology。 2013年、23巻、63~80頁; DOI:10.1159 / 000346543。
4. R. Uebe、D.Schüler。磁気タバコにおける磁気細胞の生合成// ネイチャーレビュー微生物学。 2016、14、621-637。 DOI:10.1038 / nrmicro.2016.99。
5. Mathuriya A. S. Magnetotactic bacteria:未来のナノドライバー// バイオテクノロジーの重要なレビュー。 2016、36、5、788-802、DOI:10.3109 / 07388551.2015.1046810。


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