Магнитотактические бактерии
Марина Полякова, «Элементы»
На фотографии, сделанной с помощью сканирующего электронного микроскопа, – магнитотактическая бактерия Magnetococcus marinus. Канадские ученые научились использовать ее природные способности для эффективной борьбы с раком. Они «вооружили» ее липосомами с противоопухолевым препаратом. А затем, используя магнитотактические свойства этой бактерии, направили ее прямо в центр опухоли. Фото из статьи O. Felfoul et al., 2016. Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions.
Но давайте по порядку. У живых организмов есть много механизмов для ориентации в пространстве. Растения используют солнечный свет и силу тяжести, чтобы определить, в каком направлении нужно расти, птицы при миграции частично ориентируются на расположение солнца и звезд, ну а вы можете просто спросить дорогу у прохожего.
Некоторые животные используют для навигации магнитное поле Земли. У них есть что-то вроде встроенного компаса, который всегда подскажет дорогу. Этим методом способны пользоваться как крупные организмы вроде рыб или птиц, так и самые простые. Например, некоторые виды бактерий обладают магнитотаксисом, и за это их называют магнитотактическими.
Магнитотактические бактерии встречаются почти во всех классах группы протеобактерий (Proteobacteria) и Nitrospirae. Все они относятся к грамотрицательным бактериям: их клеточная мембрана двухслойная, в отличие от однослойной у грамположительных бактерий. Их находят повсеместно в пресных, солоноватых и морских водоемах. Большинство магнитотактических бактерий – мезофилы, то есть обитают при температуре от 20°C до 45°C. Однако в горячих источниках в северной Неваде (США) была обнаружена бактерия HSMV-1 из группы Nitrospirae, которая может существовать при температуре около 63°C – то есть классический термофил. Были также найдены несколько алкалифильных (любящих высокую щелочность) видов.
Впервые магнитотактические бактерии обнаружил в 1975 году микробиолог Ричард Блейкмор (не путать с гитаристом Ричи Блэкмором из Deep Purple!). Он изучал под микроскопом образцы болотной грязи и заметил странное поведение некоторых бактерий. Они, вместо того чтобы хаотично носиться туда-сюда по предметному стеклу, направлялись в одну и ту же сторону, к окну. Сначала ученый решил, что дело в солнечном свете от окна и что именно на него реагировали бактерии. Но перенос микроскопа в другую комнату ничего не изменил – направление движения оставалось прежним. Тогда Блейкмор предположил, что бактерии могли двигаться на север – именно туда выходило его окно. Он проверил свою теорию с помощью магнита и не поверил своим глазам: бактерии реагировали на магнитное поле! Когда ученый подносил к микроскопу магнит, микроорганизмы устремлялись по направлению к его северному концу, забывая про свою предыдущую траекторию. А как только магнит убирался, они начинали снова двигаться в сторону северного магнитного полюса Земли.
Как же им это удается? У магнитотактических бактерий есть маленькие органеллы – магнетосомы. Они возникают в результате выпячивания внутренней мембраны клетки и образования пустых пузырьков – везикул. После образования везикул происходит процесс биоминерализации, при котором в них накапливается большое количество железа. В зависимости от условий роста, более 99,5% всего внутриклеточного железа клетки может присутствовать в магнетосомах, на которые, в свою очередь, может приходиться более 4% от сухой массы клетки.
Точный способ попадания железа в везикулы неизвестен, но существуют два наиболее вероятных пути. Первый предполагает, что железо входит в просвет везикулы из периплазмы – пространства между внутренней и наружной мембранами клетки, когда магнетосомная мембрана все еще является частью цитоплазматической мембраны.
Второй способ доставки ионов железа в везикулы – это использование специальных молекул-транспортеров. Сначала одни молекулы «принимают» эти ионы на цитоплазматической мембране и запускают в цитоплазму, затем другие транспортеры переносят железо через магнетосомную мембрану из цитоплазмы внутрь будущей магнетосомы.
На схеме изображены два возможных способа доставки железа (Fe) в везикулы магнетосом. Первый способ – напрямую из периплазмы через просвет в полости везикулы. Второй – через цитоплазму с использованием специальных молекул-транспортеров (оранжевые и синие фигуры). OM – наружный слой клеточной мембраны, IM – внутренний. Рисунок из статьи L. Rahn-Lee, A. Komeili, 2013. The magnetosome model: insights into the mechanisms of bacterial biomineralization
Вскоре после того, как везикулы заполнились железом, клетка превращает их в кристаллы магнетита или его сульфидного аналога грейгита. Магнитный момент магнетита в несколько раз больше, чем у грейгита. Этим, вероятно, обусловлена его популярность у магнитотактических бактерий. Каждый кристалл представляет собой магнит с северным и южным полюсом. Бактерии укладывают кристаллы внутри себя в одну цепочку и закрепляют особым структурным белком, чтобы сделать один длинный магнит (совсем как стрелка у компаса). Чем больше кристаллов – тем магнит сильнее и чувствительнее к магнитному полю. Эту конструкцию бактериии используют для ориентации движения вдоль геомагнитного поля Земли.
Интересно, что во время клеточного деления цепочка магнитосом делится ровно пополам – часть остается у материнской клетки, а часть переходит к дочерней клетке. Затем в процессе роста они поглощают железо из окружающей среды и обе удлиняют свои магнетосомы до необходимой длины.
Магнитотактическая бактерия с магнетосомами (темные точки). В центре – увеличенное изображение магнетосом. В середине магнетосомы находится частичка магнита, покрытая магнетосомной мембраной (результат выпячивания внутренней клеточной мембраны). В единую цепочку комплекс магнетосом стабилизирован белком MamA. Рисунок из статьи N. Zeytuni et al., 2011. Self-recognition mechanism of MamA, a magnetosome-associated TPR-containing protein, promotes complex assembly
Зачем же бактериям нужен компас? Как и многие другие типы бактерий, магнитотактические бактерии не очень любят кислород и предпочитают жить в средах, где его концентрация как можно ниже. Большая их часть – микроаэрофилы: для нормального роста им требуется кислород, но в небольшом количестве. Избыток же действует на эти бактерии негативно, и они всегда стремятся избегать районов с его повышенной концентрацией. Поэтому их излюбленное место жительства – на границе кислородной и бескислородной зоны в водоемах. Они используют свой природный компас, чтобы определять, где низ, а где верх, варьировать глубину погружения и, таким образом, выбирать наиболее выгодные для себя условиях.
Встречаются и анаэробные виды, которые на дух не переносят кислород в любом его количестве. Они тоже используют магнитотаксис, чтобы уплыть как можно глубже, в бескислородную зону. Как раз среди таких бактерий чаще всего встречаются любители грейгита, так как для его создания не требуется кислород.
Магнитное поле Земли ориентировано более или менее вертикально везде, кроме экватора. Поэтому магнитотактические бактерии, ориентируясь на магнитное поле Земли, быстрее и легче мигрируют в области с низким содержанием кислорода, чем те бактерии, которые хаотично плавают во всех направлениях. В Северном полушарии бактерии стремятся к магнитному северу, а в Южном – к югу (напомним, что магнитные и географические полюса Земли не совпадают).
Направление магнитного поля Земли и ориентация магнитотактических бактерий в Северном и Южном полушариях. Рисунок из статьи S. Hussain, 2016. Nature’s Living Magnets: An unexpected tool to treat disease
Ориентирование магнитотактических бактерий основывается на комбинации магнито- и аэротаксиса. Магнитотаксис отвечает за то, чтобы бактерии плыли на глубину – чем глубже, тем меньше кислорода, – или вверх, если кислорода становится недостаточно. Аэротаксис контролирует его концентрацию и определяет, что условия уже вполне комфортны и пора бы остановиться.
Слева – схема водного столба с разделением на кислородную (Oxic), бескислородную (Anoxic) и промежуточную (OATZ – oxic–anoxic transition zone) зоны. Справа –увеличенная промежуточная зона, на которой показаны магнитотактические бактерии. Они используют свои магнетосомы для движения вдоль линий магнитного поля (пунктирные стрелки) и достижения зоны с оптимальной концентрацией кислорода. Иллюстрация из статьи D. H. Nies, 2011. How iron is transported into magnetosomes
Ученых интересует практическое использование магнитных бактерий. Конечно, ими не прицепишь любовное послание на холодильник, но зато можно найти массу других полезных применений. Например, как упоминалось в начале статьи, канадские исследователи показали, что можно использовать магнитотактические бактерии Magnetococcus marinus для доставки лекарств вглубь гипоксических (содержащих мало кислорода) зон опухолей. У M. marinus, как и у большинства магнитотактических бактерий, имеются жгутики для активного передвижения в водной среде. Эти похожие на маленькие хвостики структуры могут вращаться и работают как пропеллер, позволяя бактериям быстро плавать и легко менять направление. Кроме того, сферическая форма и небольшой размер (1–2 мкм) позволяет им без труда протискиваться в узкие (около 2 мкм) межклеточные пространства в опухоли.
Ученые с помощью антител прикрепили к внешней мембране M. marinus крохотные пузырьки (липосомы) с противоопухолевым препаратом SN-38 внутри. Затем ввели бактерии лабораторным мышам в ткань около опухоли. Создав трехмерное магнитное поле, они с помощью специальной магнитной платформы направляли движение микроорганизмов, «вооруженных» липосомами с лекарством, как можно ближе к опухоли, так, чтобы они смогли детектировать градиент концентрации кислорода. После этого в дело вступал аэротаксис. Бактерия, «почуяв» разницу в содержании кислорода, устремлялись в сторону его наименьшей концентрации, то есть в центр опухоли. В результате больше половины бактерий доставили лекарство в пункт назначения.
Этот метод может не только снизить риски рецидивов, но и уменьшить токсичность лечения, так как лекарства будут распространяться не по всему организму, а только туда, куда их доставят бактерии.
Ну и напоследок – видео о том, как ученые заставили бактерий танцевать.
Магнитные бактерии могут быть полезными не только в серьезных делах, но и в качестве научного развлечения. Голландские и немецкие ученые заставили бактерий танцевать в наложенном магнитном поле
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
11.09.2017