Галерея фото магнитных бактерий
Бактерии, которые «чувствуют» магнитное поле
Не только мигрирующие птицы умеют определять магнитные полюса Земли. Немецкие ученые обнаружили «компас» наноразмера и внутри бактерий, который помогает им ориентироваться в магнитном поле Земле. Простейшие организмы развиваются таким образом, что используют магнитное поле в поисках оптимальных условий существования. У этих, так называемых, «магнитотаксических» микроорганизмов внутри находятся миниатюрные клеточные компасы, сделанные из цепочек отдельных наномагнитов - магнетосом. Сама бактерия при этом целиком ориентируется подобно стрелке компаса в магнитном поле. До сих пор было не очень понятно, как магнетосомы в клетках соединяются в устойчивые цепочки, почему они не разрушаются при магнитном взаимодействии? Используя современные молекулярно-генетические технологии и новые способы получения изображений, ученые из Института Макса Планка Морской Микробиологии в Бремене и Института Макса Планка Биохимии в Мартинсриде (Германия) обнаружили белок, ответственный за создание цепочек магнетосом. Исследователи показали, что найденный белок выстраивает магнетосомы вдоль особых цитоскелетных структур, которые прежде были неизвестны. Этот факт свидетельствует о том, что именно генетика регулирует магнетосомные цепочки. Причем их структура одна из самых сложных, что была обнаружены в клетках бактерий. Она сравнима с таковой у органелл, с которыми ученые до сих пор были знакомы по высшим организмам. (Nature, Advanced Online Publication, November 20, 2005).
Магнетотаксические бактерии часто встречаются в морской глине. Они используют магнетосомы внутри своих клеток и выстраиваются в цепочки, чтобы различить «верх» и «низ» в земном магнитном поле. Это помогает бактериям передвигаться через водную толщу в поисках подходящих условий для развития. Из чего состоят такие магнетосомы? Из крошечных кристалликов магнитного минерала – магнетита (Fe3O4), размером в пятьдесят нанометров.
Чтобы создать магнетосому, клетки должны выбрать большое количество железа из своего окружения, а затем создать специальный оксид железа. Для того чтобы кристаллы могли работать как надежные сенсоры магнитного поля, им надо придать нужную форму и размер. Кристаллики-магнетосомы выстраиваются в длинную цепочку внутри клетки, их магнитные моменты складываются. Только такие структуры в виде цепочки могут вести себя подобно стрелке компаса, которая ориентирует бактерии внутри относительно слабого магнитного поля Земли. Как образуются такие цепочки, ученым удалось выяснить совсем недавно.
Группа Дирка Шулера (Dirk Schьler, the Max Planck Institute for Marine Microbiology) изучала образование магнетосом в магнетотаксической бактерии Magnetospirillum gryphiswaldense, которую ученые извлекли из глины Грайфсвальда, на северо-востоке Германии. Недавно ученые смогли идентифицировать часть ДНК, которая, как оказалось, переносит полную генетическую информацию, необходимую для образования магнетосомных частиц. В этом фрагменте генома под названием «магнетосомный остров», находится, по крайней мере, 25-30 различных магнетосомных генов, роль которых ранее не была известна в деталях.
Исследователи приступили к изучению острова магнетосом и их функций. Они натолкнулись на белок под названием MamJ, который производит компоненты мембраны, окружающей отдельные кристаллы магнетита. MamJ имеет отдаленное сходство с белками, которые контролируют процесс кристаллизации в других биоминералах, таких как кости, зубы, отолиты и раковины мидий. Может быть, именно он отвечает за создание кристаллов магнетита?
Хотя в лабораторных условиях очень трудно культивировать такие бактерии, немецким ученым удалось выделить этот ген из генома Magnetospirillum gryphiswaldense. При этом получилась бактерия-мутант без белка MamJ. На удивление, мутант продолжал создавать кристаллы магнетита, которые напоминали оригинальные по форме, размеру и числу. Но чувствительность сенсора магнитного поля была нарушена, клетки ориентировались в магнитном поле очень плохо. Исследование с помощью электронного микроскопа показало, что мутантные кристаллы-магнетосомы не в состоянии выстроиться в идеально организованную линейную цепочку, они, скорее, слипаются в нерегулярные кластеры.
Затем ученые промаркировали белок MamJ флуоресцентным маркером - белком GFP ("green fluorescent protein") и смогли следить за происходящим в живой бактериальной клетке. Как они и подозревали, белок был связан с цепочкой магнетосом. Но наблюдения показали, что MamJ сам выстраивается вдоль волокнистой структуры, которая тянется как струна через всю клетку. Изучая эту структуру, ученые использовали новый метод электронной микроскопии, разработанный на факультете Молекулярной структурной Биологии в Институте Макса Планка биохимии. Этот вид томографии – криоэлектронной - позволяет разглядеть структуры в деталях внутри замороженных до минус 196 градусов по Цельсию клеток и получить их трехмерные изображения с разрешением всего лишь в несколько нанометров. Ученые из группы Юргена Плитцко из Мартинсрида изучили магнитные бактериальные клетки с использованием этой новой технологии и сравнили мутанты MamJ с нетронутой клеткой. Беспрецедентное качество разрешения позволило увидеть не только кристаллы магнетита, но и везикулы мембран. Ученых ждал сюрприз. Они впервые обнаружили волокнистые структуры вдоль магнетосомных цепочек нетронутых клеток.
Тот факт, что генетика управляет цепочками из наномагнитов в бактериях, поможет нам понять, как высшие организмы ориентируются в магнитном поле. Ученым известно, что у разных животных – мигрирующих лососей или домашних голубей - есть магнитные кристаллические цепочки в некоторых тканях организма. Эти цепочки удивительно похожи на таковые у бактерий и, возможно, образуются по таким же правилам.
Источник
БАКТЕРИИ, ПРИТЯГИВАЮЩИЕСЯ МАГНИТОМ
Российские микробиологи - сотрудники Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (Пущино) - обнаружили, что у разных групп бактерий внутри клетки образуются магнитные включения, содержащие кобальт и хром. По мнению исследователей, магнитные свойства этих включений представляют собой лишь побочный эффект, а их истинное назначение еще предстоит разгадать.
Сорбировать ионы металлов из окружающей среды способны многие бактерии, а структурированные отложения металлов внутри бактериальной клетки встречаются значительно реже. До настоящего времени ученым были известны только включения, содержащие железо, но российские микробиологи предположили, что бактерии могут накапливать и другие ферромагнетики. В результате целенаправленного поиска исследователям удалось найти микроорганизмы (Pseudomonas fluorescens, Lactococcus lactis и штаммы Brevibacterium), образующие в клетках включения кобальта и хрома. Бактериальные культуры из фонда Всероссийской коллекции микроорганизмов выращивали в питательной среде, содержащей соли хрома и кобальта. Электронная микроскопия показала, что клетки, выросшие на таких средах, образуют в цитоплазме особые сферические включения диаметром от 20 до 250 нанометров, которые содержат соответствующий металл. Эти включения придают клеткам способность к пассивному перемещению в магнитном поле. Если к стенке пробирки, в которой находится суспензия клеток, приложить магнит, то вся масса клеток в виде плотного сгустка перемещается в его сторону и движется вслед за магнитом, если водить им вдоль стенок.
До сих пор ученые предполагали, что железосодержащие магнитные включения выполняют специфические биологические функции. К их числу прежде всего относится стимуляция движения анаэробных бактерий к ближайшим естественным магнитам - вглубь водоемов, к отложениям магнитоупорядоченных соединений (грейгиту и др.). Помимо того, что бактерии при таком перемещении попадают в благоприятную для них бескислородную зону, некоторые из магнитных бактерий могли бы использовать находящиеся там восстановленные соединения в качестве субстратов. Но кобальт и хром не так широко распространены в местах естественного обитания бактерий, как железо. По-видимому, магнитные свойства включений, содержащих эти металлы, можно рассматривать не как основную биологическую функцию, а как некий побочный эффект. Исследователи предполагают, что образование магнитных включений различных металлов-ферромагнетиков представляет собой общий способ защиты бактерий от токсического воздействия высоких концентраций растворенных металлов. Возможно также, что магнитные включения защищают анаэробные клетки от токсического действия кислорода. Поскольку они содержат металл в окисленном состоянии, то могут выступать в качестве своеобразного буфера при окислении.
Источник
Обнаружен ген "компаса" магнитных бактерий
Расшифрована генетическая последовательность, которая управляет формированием биологического компаса - магнитных наночастиц - у некоторых анаэробных бактерий, позволяющего им ориентироваться в магнитном поле, пишет журнал New Scientist.
После расшифровки этот ген может быть встроен в другие организмы, которые могут стать "фабриками" магнитных наночастиц. Такие частицы могут быть использованы для медицинской диагностики с помощью магнитно-резонансной томографии, для обнаружения ряда биологически активных молекул, таких как молекулы гормона инсулина.
Автор исследования - Тадаши Мацунага (Tadashi Matsunaga) из токийского университета сельского хозяйства и технологий - обнаружил "ген компаса", сравнивая геном хорошо известных магнитных бактерий с геномом их наиболее дальнего магнитного родственника - бактерией Desulfovibrio magneticus штамма RS-1.
Ученый идентифицировал три группы генов, которые необходимы для строительства магнитосом. Самый важный участок, названный "островом магнитосом", содержит девять генов, управляющих их постройкой. Бактерии создают магнитные наночастицы заполняя жировые пузырьки железом. Затем железо окисляется, превращаясь в магнетит, который образует кристаллы.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Genome Research.
Источник