Наука

Удивительный «нанокомпас» бактерий

29/05/2018

Открытые более полувека назад магнитотактические бактерии в настоящее время вызывают большой интерес у широкого круга специалистов. Объясняется это тем, что в таких бактериях содержатся «живые магниты» — магнетосомы, которые благодаря своим уникальным свойствам, как оказалось, открывают новые возможности в самых различных областях деятельности человека, в том числе в медицине

Бактерии-навигаторы

Магнитотактическими бактериями (МТБ) называют грамотрицательные, способные к активному движению прокариоты, которые синтезируют внутриклеточные магнитные кристаллы железа оксида или сульфида, покрытые липопротеиновой мембраной, — магнетосомы. Последние выстроены в цепочку, образуя «магнитную стрелку» внутри клетки бактерии, и делают ее чувствительной к внешнему магнитному полю.

Впервые МТБ описал еще в 1963 г. итальянский микробиолог Сальваторе Беллини, который наблюдал, как большое количество бактерий двигалось в направлении линий магнитного поля. Он дал им название «Batteri magneto sensibili» (магниточувствительные бактерии) и предположил, что ориентированное поведение клеток было связано с присутствием внутреннего «магнитного компаса». Наличие такого компаса позже подтвердил американский микробиолог Ричард Блэкмор, который в 1974 г. определил способность МТБ ориентироваться в магнитном поле благодаря тому, что они могут синтезировать магнетосомы [1].

МТБ являются водными прокариотами, разнообразными по морфологии, физиологии и филогении, повсеместно присутствуют в водных экосистемах и способны перемещаться вдоль линий магнитного поля Земли. Наибольшее их количество обитает в зоне перехода от кислородных к бескислородным условиям, что совпадает с границей «ил — вода».

По форме клеток различают палочки, вибрионы, спириллы, кокки и овоидные бактерии, а также многоклеточные МТБ. Большинство известных МТБ передвигаются при помощи жгутиков и имеют клеточную стенку, структура которых характерна для грамотрицательных бактерий.

Уникальные органеллы

Синтезируемые в МТБ магнетосомы являются уникальными органеллами, содержащими магнитные кристаллы соединений железа: магнетит (Fe3O4), грейгит (Fe3S4) или смесь грейгита и пирита (FeS2). Они покрыты мембраной, представляющей собой фосфолипидный бислой толщиной 3–4 нм, образованный путем инвагинации (впячивания) цитоплазматической мембраны клетки. Размер магнетосом составляет от 35 до 120 нм.

Каждая магнетосома обладает магнитным моментом и представляет собой магнит с северным и южным полюсами [2]. Внутри клетки магнетосомы выстраиваются в цепочку и скрепляются между собой специальным структурным белком. Магнетосомные цепи являются клеточными датчиками, улавливающими направление и градиенты магнитных полей.

Имеются веские основания считать магнетосомы потенциальными претендентами на замену тех магнитных наночастиц, которые уже применяют в медицинских технологиях

Зачем же природа создала такую непростую оригинальную систему? Дело в том, что по своей природе МТБ являются микроаэрофилами или анаэробами. Для микроаэрофилов кислород в небольших количествах не страшен, однако его избыток действует на них негативно, поэтому они всегда стремятся к зоне с наиболее низкой концентрацией кислорода. Такой зоной является та, которая расположена у придонных осадков, где существует переход между кислородной и бескислородной областями. Используя магнетосомы как «нанокомпас», МТБ двигаются вдоль линий магнитного поля, варьируя глубину погружения и тем самым выбирая для себя наиболее благоприятные условия. Этот тип движения получил название «магнитотаксис».

Благодаря своим уникальным свойствам магнетосомы уже нашли применение в таких областях, как биотехнология, геология, палеонтология, астробиология.

Новый кандидат в транспортеры

Чем же могут быть полезны магнетосомы медицине? Прежде всего они способны реализовать себя в столь важном процессе, как адресная доставка лекарств. Ныне для этой цели применяют искусственные магнитные наночастицы (ИМН), обладающие постоянным или наведенным магнитным моментом и «одетые» в капсулы либо помещенные в биоинертные матрицы. Под воздействием прикладываемого магнитного поля эти наночастицы, нагруженные лекарством, можно перемещать по организму к намеченной цели. Однако известно, что ИМН обладают определенной цито- и генотоксичностью.

Читайте также: Как китайская живопись может пригодиться в лечении рака?

Представляло интерес выяснить, каковы эти показатели у магнетосом. Для этого был проведен сравнительный эксперимент, который выявил, что клетки с магнетосомами могли поддерживать нормальную морфологию, в то время как клетки с искусственными магнитными наночастицами разрушались. Вызывать повреждения в ДНК могут как магнетосомы, так и искусственные магнитные наночастицы, однако повреждения, обусловленные магнетосомами, являются контролируемыми и обратимыми. Таким образом, бактериальные магнетосомы показали прекрасную цитосовместимость и обратимую генотоксичность [3], а учитывая их высокую биосовместимость [4], они вполне способны эффективно заменить искусственные магнитные наночастицы, используемые ныне в качестве транспортеров лекарств.

Неожиданные свойства

В процессе исследований выяснилось, что существует еще целый ряд перспективных направлений использования магнетосом в качестве терапевтических, визуальных и диагностических агентов.

Модификация поверхности мембраны магнетосом с помощью иммобилизации различных функциональных молекул позволила обнаружить у них новые свойства. Так, например, в случае иммобилизации некоторых ферментов на поверхности магнетосомной мембраны их активность возрастает в десятки раз (!) по сравнению с иммобилизацей на искусственных магнитных наночастицах. Происходит это вследствие того, что мембрана магнетосом имеет на поверхности дополнительные карбоксильные и амидные группы, которые повышают гидрофильность и биосовместимость магнетосом.

Вызывать повреждения в ДНК могут как магнетосомы, так и искусственные магнитные наночастицы, однако повреждения, обусловленные магнетосомами, являются контролируемыми и обратимыми

На мембране магнетосом могут быть иммобилизованы иммуноглобулинсвязывающие, а также многие другие белки, в том числе флуоресцентные (например, знаменитый зеленый флуоресцентный белок GFP, авторы открытия которого были удостоены в 2008 г. Нобелевской премии по химии).

Магнетосомы с иммобилизованными на поверхности антителами используют для выявления и идентификации аллергенов и клеток рака [5]. Наночастицы с флуоресцентными белками применяют для обнаружения и выделения других бактерий [6].

Читайте также: Золото в медицине: «вторая молодость» древнего металла

Понятно, что исследования возможностей подобного модифицирования только начинаются, поэтому можно надеяться на получение неожиданных и эффективных результатов.

Для повышения качества изображений

Ныне в медицинской диагностике широко распространен метод магнитно-резонансной томографии (МРТ) — способ визуализации, основанный на принципах ядерного магнитного резонанса и предназначенный для получения высококачественных изображений при исследовании внутренних органов и тканей.

Для сверхчувствительной МРТ обычно применяют контрастные агенты, значительно улучшающие получаемое изображение. В качестве таких агентов используют однородные по размерам и форме магнитные наночастицы. И вот здесь магнетосомы можно использовать как высокочувствительные контрастные агенты.

subscribe

Группа французских ученых провела исследование контрастной эффективности магнетосом (по сравнению с искусственными магнитными наночастицами железа оксида) при визуализации сосудистой сети мозга мыши и пришла к выводу, что более высокая магнитная активность наблюдалась именно у магнетосом и, соответственно, ангиограммы получились более наглядными [4].

И даже в борьбе с раком

В настоящее время в качестве дополнительного вида лечения при многих заболеваниях, в том числе в борьбе со злокачественными новообразованиями, рассматривают гипертермию.

Магнитожидкостная гипертермия — метод с использованием магнитных наночастиц, представляется одним из самых перспективных, так как позволяет воздействовать на внутренние органы (низкочастотное магнитное поле свободно проникает сквозь ткани организма), в то же время обеспечивая локальность воздействия: разогрев происходит только в тех областях, где сосредоточены магнитные наночастицы.

Читайте также: Безопасность новых методов лечения рака

В качестве материала наночастиц для этих целей в основном используют оксиды железа — магнетит, а также магнитную модификацию гематита. Когда же в качестве магнитных наночастиц были испытаны магнетосомы, то оказалось, что они, будучи введенными непосредственно в место опухоли экспериментальных животных и подвергнутыми действию переменного магнитного поля, проявили высокую противоопухолевую активность [7].

Подготовил Руслан Примак,
канд. хим. наук

Литература

  1. Blakemore R. Magnetotactic bacteria // Science. – 1975. – Vol. 190. – P. 377-379.
  2. René Uebe, Dirk Schüler. Magnetosome biogenesis in magnetotactic bacteria // Nat. Rev. Microbiol. – 2016. – Vol. 14. – P. 621-637.
  3. Lei Qi, Xiujuan Lv, Tongwei Zhang et al. Cytotoxicity and genotoxicity of bacterial magnetosomes against human retinal pigment epithelium cells // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 26961.
  4. Meriaux S., Boucher M., Marty B. et al. Magnetosomes, Biogenic Magnetic Nanomaterials for Brain Molecular Imaging with 17.2 T MRI Scanner // Adv. Healthcare Mater. – 2015. – Vol. 4. – P. 1076-1083.
  5. Ouajdi Felfoul, Mahmood Mohammadi, Samira Taherkhani et al. Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions // Nature Nanotechnology. – 2016. – Vol. 11. – P. 941-947.
  6. Claus Lang, Dirk Schüler. Biogenetic nanoparticles: production, characterization, and application of bacterial magnetosomes // J. Phys.: Condens. Matter. – 2006. – Vol. 18. – P. S2815-S2828.
  7. Abhilasha Singh Mathuriya.Magnetotactic bacteria:nanodrivers of the future // Critical Reviews in Biotechnology. – 2016. – Vol. 36. – P. 788-802.

“Фармацевт Практик” #5′ 2018

ПЕРЕДПЛАТА
КУПИТИ КНИГИ