Учёные перенесли гены для формирования внутриклеточного биокомпаса в немагнитный организм

Магнитные бактерии ориентируются с помощью внутреннего биологического компаса. В выдающемся биотехнологическом достижении учёные из LMU смогли перенести гены, необходимые для формирования этого биокомпаса, в немагнитный организм-хозяин.

Магниточувствительные подвижные бактерии, обитающие в донных отложениях озёр и прудов, используют магнитное поле Земли, чтобы определять направление вверх и находить оптимальные для выживания условия. Магнитотактическая навигация возможна благодаря уникальным органеллам — магнитосомам. Они состоят из крошечных кристаллов магнетита, заключённых в биологическую мембрану. Эти кристаллы организованы в упорядоченные линейные цепи, которые действуют как миниатюрная стрелка компаса, позволяя клеткам двигаться вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Магнитосома — одна из самых сложных структур в бактериальном мире. Её сборка — многоступенчатый процесс, требующий продуктов множества генов. «За последние несколько лет мы показали, что в процессе участвуют как минимум 30 специфических генов, и они сгруппированы вместе в одном регионе генома», — говорит микробиолог LMU Дирк Шюлер, чья группа изучает магнитные бактерии более 15 лет. «Но было неясно, не требуются ли для формирования магнитосом другие, ещё неизвестные генные функции».

Плохой рост затрудняет биотехнологическое использование

Как магнитные наночастицы со свойствами, превосходящими всё, что было синтезировано химически, магнитосомы представляют значительный биотехнологический интерес — например, для биомедицинской визуализации. Однако детали их биосинтеза было трудно изучить, потому что большинство природных магнитных бактерий крайне сложно или даже невозможно культивировать в лаборатории.

В принципе, это препятствие можно обойти, перенеся генетическую информацию для формирования магнитосом в организм-хозяин, который можно выращивать на обычной питательной среде. Поэтому неудивительно, что многие исследовательские группы преследовали эту цель. «Однако технически это довольно сложно, потому что количество генов, которые нужно перенести, необычно велико», — объясняет Изабель Колинко, первый автор нового исследования. Более того, для правильной сборки магнитосомы требуется, чтобы многочисленные биосинтетические шаги происходили в правильном порядке и в нужной клеточной локализации, что требует очень точной регуляции. Наконец, было совсем не очевидно, что все генные функции, необходимые для процесса, действительно были идентифицированы, что ставило под вопрос саму возможность достижения цели. Но команда LMU решила попытаться. В сотрудничестве с коллегами из Института фармацевтических исследований Гельмгольца в Саарбрюккене группа Шюлера успешно ввела все гены, известные как необходимые для сборки магнитосом у магнитной бактерии Magnetospirillum gryphiswaldense, в фотосинтезирующий микроорганизм Rhodospirillum rubrum.

Наномагниты из биореактора

Эксперимент удался. «Клетки R. rubrum, трансформированные этим набором генов, действительно были способны формировать цепи магнитных кристаллов, подобные тем, что есть у M. gryphiswaldense, и клетки ориентировались вдоль магнитного поля Земли. Эти результаты впервые демонстрируют, что трансплантация такого сложного биосинтетического пути в другой организм-хозяин действительно возможна», — отмечает Шюлер. Кроме того, результат доказывает, что 30 генов, уже идентифицированных как необходимые для формирования магнитосом, на самом деле достаточны для программирования всего процесса.

Исследователи выбрали R. rubrum в качестве хозяина, потому что его легче выращивать в культуре, чем привередливые магнитные бактерии. Кроме того, новый штамм с его вновь приобретёнными биохимическими возможностями уже представляет значительный интерес, поскольку обещает облегчить производство наномагнитов. Он растёт намного быстрее, чем M. gryphiswaldense, давая большее количество биомассы, что должно сделать производство востребованных магнитных наночастиц более эффективным.

«Ещё важнее то, что теперь мы можем использовать направленное манипулирование перенесёнными генами для дальнейшего улучшения свойств биогенных наномагнитов, контролируя их размер, количество и форму», — объясняет Шюлер. «Если мы сможем ещё больше сократить количество требуемых генов и оптимизировать или модифицировать их функции, возможно, станет возможным внедрить план построения магнитосом в клетки высших организмов, сделав их магниточувствительными. Это откроет широкий спектр потенциальных применений, особенно в фундаментальных исследованиях. Например, такие наномагниты можно было бы использовать для экспериментального манипулирования клеточными процессами и в качестве внутриклеточного репортёра в процедурах с использованием методов визуализации», — говорит Шюлер.