Магнитосома

Бактериальная клетка с магнитосомами

Магнитосо́ма (англ. Magnetosome) — органелла бактериальной клетки, представляющая собой окружённый мембраной цельный кристалл химически чистого магнетита (Fe3O4) или грейгита (Fe3S4). Бактерии, обладающие магнитосомами, способны к магнитотаксису — движению, связанному с реакцией клетки на магнитное поле (их называют магнитотактическими бактериями[англ.]*)[1].

Строение

Кристалл магнетита (или грейгита) имеет кубооктаэдрическую, пулевидную или гексагонально-призматическую форму и достигает от 25 до 130 нм в длину. Иногда они содержат другие железосодержащие минералы: макинавит[англ.] (тетрагональный FeS) и кубический FeS, однако иногда их рассматривают как предшественники Fe3S4[2][3]. Мембрана магнитосомы представляет собой фосфолипидный бислой, и некоторые её белки больше нигде не встречаются[4]. Как правило, магнитосомы образуют продольную цепочку, реже они собраны в 2 или 3 параллельные или пересекающиеся цепочки. Некоторые бактерии имеют единичные магнитосомы. Бактерии, имеющие магнитосомы, обитают в морских, речных и озёрных донных илах, на песчаных пляжах, рисовых полях и в затапливаемых почвах. По типу метаболизма они — хемоорганотрофные микроаэрофилы или анаэробы[1].

Биогенез

Считается, что магнитосомы происходят от везикул, которые отпочковываются от клеточной мембраны внутрь клетки. В отпочковывании предшественников магнитосом задействован белок Mps, который может играть роль ацилазы, запускающей процесс впячивания. Далее внутрь везикул из цитоплазмы поступает железо. Ключевую роль в закачивании железа в везикулы играет белок MagA, который переносит ионы Fe2+ в везикулы, выкачивая из них протоны[1]. Существуют сведения, что магнитосомы — не самостоятельные везикулы, а только впячивания клеточной мембраны[5].

Функции

Вероятно, первоначально магнитосомы служили для запасания железа. В магнитосомах изолируются токсичные ионы двухвалентного железа, а магнитная ориентация стала вторичной функцией. Поэтому магнитосомы есть не только у бактерий, в среде обитания которых много железа, но и у некоторых свободноплавающих морских бактерий[1]. Магнитосомы помогают бактериям ориентироваться относительно линий магнитного поля Земли, выбирая оптимальное местоположение[6].

Применение

Магнитосомы бактерий могут найти широкое применение в биотехнологии и нанотехнологиях. В отличие от искусственно созданных наночастиц магнетита, кристаллы магнетита из магнетосом стабильны, химически чистые, имеют примерно одинаковые размеры и форму, их магнитные свойства постоянны при умеренных температурах. Магнитосомы могут применяться в биоремедиации, разделении клеток, детекции ДНК, антигенов и других соединений[7], доставке лекарств и определённых генов в клетки[8], иммобилизации ферментов[англ.], усиления контраста изображений, полученных с помощью магнитного резонанса, а также создания гипертермии, которую используют для разрушения раковых клеток[9][4]. Если покрыть магнитосомы биосовместимыми полимерами (например, пептидами), то область их применения будет существенно шире[10].

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 Пиневич, 2006, с. 233—235.
  2. ↑ Bazylizinki Dennis A., Heywood Brigid R., Mann Stephen, Frankel Richard B. Fe304 and Fe3S4 in a bacterium (англ.) // Nature. — 1993. — November (vol. 366, no. 6452). — P. 218—218. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/366218a0. [исправить]
  3. ↑ Bazylinski D. A., Frankel R. B., Heywood B. R., Mann S., King J. W., Donaghay P. L., Hanson A. K. Controlled Biomineralization of Magnetite (Fe(inf3)O(inf4)) and Greigite (Fe(inf3)S(inf4)) in a Magnetotactic Bacterium. (англ.) // Applied And Environmental Microbiology. — 1995. — September (vol. 61, no. 9). — P. 3232—3239. — PMID 16535116. [исправить]
  4. ↑ 1 2 Vargas G., Cypriano J., Correa T., Leão P., Bazylinski D. A., Abreu F. Applications of Magnetotactic Bacteria, Magnetosomes and Magnetosome Crystals in Biotechnology and Nanotechnology: Mini-Review. (англ.) // Molecules (Basel, Switzerland). — 2018. — 24 September (vol. 23, no. 10). — doi:10.3390/molecules23102438. — PMID 30249983. [исправить]
  5. ↑ Komeili A., Li Z., Newman D. K., Jensen G. J. Magnetosomes are cell membrane invaginations organized by the actin-like protein MamK. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2006. — 13 January (vol. 311, no. 5758). — P. 242—245. — doi:10.1126/science.1123231. — PMID 16373532. [исправить]
  6. ↑ Нетрусов, Котова, 2012, с. 75.
  7. ↑ He J., Tian J., Xu J., Wang K., Li J., Gee S. J., Hammock B. D., Li Q. X., Xu T. Strong and oriented conjugation of nanobodies onto magnetosomes for the development of a rapid immunomagnetic assay for the environmental detection of tetrabromobisphenol-A. (англ.) // Analytical And Bioanalytical Chemistry. — 2018. — October (vol. 410, no. 25). — P. 6633—6642. — doi:10.1007/s00216-018-1270-9. — PMID 30066195. [исправить]
  8. ↑ Wang X., Wang J. G., Geng Y. Y., Wang J. J., Zhang X. M., Yang S. S., Jiang W., Liu W. Q. An enhanced anti-tumor effect of apoptin-cecropin B on human hepatoma cells by using bacterial magnetic particle gene delivery system. (англ.) // Biochemical And Biophysical Research Communications. — 2018. — 5 February (vol. 496, no. 2). — P. 719—725. — doi:10.1016/j.bbrc.2018.01.108. — PMID 29355529. [исправить]
  9. ↑ Mannucci S., Tambalo S., Conti G., Ghin L., Milanese A., Carboncino A., Nicolato E., Marinozzi M. R., Benati D., Bassi R., Marzola P., Sbarbati A. Magnetosomes Extracted from Magnetospirillum gryphiswaldense as Theranostic Agents in an Experimental Model of Glioblastoma. (англ.) // Contrast Media & Molecular Imaging. — 2018. — Vol. 2018. — P. 2198703—2198703. — doi:10.1155/2018/2198703. — PMID 30116160. [исправить]
  10. ↑ Mickoleit F., Borkner C. B., Toro-Nahuelpan M., Herold H. M., Maier D. S., Plitzko J. M., Scheibel T., Schüler D. In Vivo Coating of Bacterial Magnetic Nanoparticles by Magnetosome Expression of Spider Silk-Inspired Peptides. (англ.) // Biomacromolecules. — 2018. — 12 March (vol. 19, no. 3). — P. 962—972. — doi:10.1021/acs.biomac.7b01749. — PMID 29357230. [исправить]

Литература

  • Пиневич А. В. Микробиология. Биология прокариотов: в 3 т.. — СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2006. — Т. I. — 352 с. — ISBN 5-288-04057-5.
  • Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.