Кіріспе
Магнитотактикалық бактериялар (МТБ) – Жердің магнит өрісінің магниттік күш сызықтары бойынша бағдарланатын бактериялардың полифилетикалық тобы. 1963 жылы Сальваторе Беллини жане 1975 жылы Ричард Блейкмор қайта ашқан осы бағытталу, осы организмдерге ең қолайлы оттегі концентрациясы бар аймақтарға жетуге көмектеседі деп саналады. Бұл міндетті орындау үшін бактериялардың магниттік кристалдарды қамтитын магнитосома деп аталатын органеллалары бар. Сыртқы ортаның магниттік қасиеттеріне жауап ретінде қозғалатын микроорганизмдердің биологиялық құбылысы магнитотаксис деп аталады. Дегенмен, бұл термин шатастыру тудыруы мүмкін, себебі «таксис» терминінің басқа қолданылуларының барлығында стимулға жауап беру механизмі қарастырылады. Жануарлардың магнитті сезу қабілетінен өзгеше, бактерияларда бекітілген магниттер болады, олар бактерияларды бағытталған күйге келтіреді – тіпті өлген жасушалар да компастың тілі сияқты бағытталған күйге тартылады.
Magnetotactic bacteria (or MTB) are a polyphyletic group of bacteria that orient themselves along the magnetic field lines of Earth's magnetic field. Discovered in 1963 by Salvatore Bellini and rediscovered in 1975 by Richard Blakemore, this alignment is believed to aid these organisms in reaching regions of optimal oxygen concentration. To perform this task, these bacteria have organelles called magnetosomes that contain magnetic crystals. The biological phenomenon of microorganisms tending to move in response to the environment's magnetic characteristics is known as magnetotaxis. However, this term is misleading in that every other application of the term taxis involves a stimulus response mechanism. In contrast to the magnetoreception of animals, the bacteria contain fixed magnets that force the bacteria into alignment—even dead cells are dragged into alignment, just like a compass needle.
Кіріспе
Магнитотактикалық бактерияларды алғаш рет 1963 жылы Павия университетінің профессоры Сальваторе Беллини сипаттады. Микроскоппен саздық шөгінділерді қарап отырғанда, Беллини бактериялардың бір тобын байқады, олар ерекше бағытта орналасқан. Ол бұл микроорганизмдердің Солтүстік полюс бағытына қарай қозғалатынын түсінді, сондықтан оларды "магнитке сезімтал бактериялар" деп атады. Жарияланымдар академиялық болды (сол кездегі еуропалық университеттердегідей, Институт директоры профессор Л. Бианкидің жауапкершілігімен, Институт ди Микробиология редакциялық комиссиясының сараптамасынан өтті) және белгілі бір мекеменің ресми журналында итальян тілінде, ағылшын, француз және неміс тілдеріндегі қысқаша мазмұндамалармен бірге жарияланды. Дегенмен, олар 2007 жылы Ричард Франкельдің назарына түскенше көп назар алмаған сияқты. Франкель оларды ағылшын тіліне аударды, ал аудармалар Қытай океанография және лимнология журналында жарияланды. Ричард Блейкмор, сол кезде Массачусетс университетіндегі Амхерст микробиологиясының аспиранты және Вудс-Холл океанографиялық институтында жұмыс істеген, Павия университетінің Микробиология институтының қатысты жарияланымдары сақталған коллекцияда Жердің магнит өрісінің бағытын ұстанған микроорганизмдерді байқады. Блейкмор өзінің "Science" журналында жариялаған есебінде Беллинидің зерттеулерін еске алмады, бірақ электронды микроскоп арқылы магнитосома тізбектерін көре алды. Беллинидің осы мінез-құлыққа берген терминдері, атап айтқанда, text=magnetisch empfindliche Bakterien және (Беллинидің алғашқы жариялануының соңғы беті), ұмытылып, Блейкмордың "магнитотаксисі" ғылыми қауымдастық тарапынан қабылданды. Бұл бактериялар көптеген тәжірибелердің нысаны болды. Олар тіпті гравитация болмаған жағдайда олардың магнитотактикалық қасиеттерін зерттеу үшін ғарыш кемесіне де алынды, бірақ нақты қорытындыға келмеді. Магнитотактикалық бактериялардың Жердің магнит өрісіне сезімталдығы олардың жасушаларында магниттік минералдардың кристалл тізбектерін түзетіндігінен туындайды. Бүгінгі күнге дейін барлық магнитотактикалық бактериялар магнит немесе грегит түзіретіні хабарланды. Бұл кристалдар, кейде кристалл тізбектері, геологиялық жазбаларда магнитофоссилдер ретінде сақталуы мүмкін. Ең ерте анықталған магнитофоссилдер Англияның оңтүстігіндегі кредалық бор қабаттарынан табылды, бірақ магнитофоссилдер туралы сенімсіз хабарламалар 1,9 миллиард жылдық Гунфлинт шертіне дейін жетеді. Марста олардың болуы туралы да мәлімдемелер жасалды, бұл марсиандық ALH84001 метеоритіндегі магнетит бөлшектерінің пішініне негізделген, бірақ бұл мәлімдемелерге күдікпен қаралады.
Биология
МТБ-ның бірнеше түрлі морфологиясы (формалары) бар, олар құрамындағы бактериялық магниттік бөлшектердің (БМҚ) саны, орналасуы және құрылымы бойынша ерекшеленеді. МТБ-ны магнит немесе грегит бөлшектерін шығаратынына қарай екі топқа бөлуге болады, бірақ кейбір түрлер екеуін де шығара алады. Магниттің магниттік моменті грегиттің магнитудасынан үш есе жоғары. МТБ ертедегі Архей дәуірінде пайда болған деп болжанады, себебі атмосфералық оттегінің артуы организмдердің магниттік навигацияға ие болуына эволюциялық артықшылық берген. Магнитосомалар алғаш рет Ұлы оттегілендіру оқиғасынан туындаған реактивті оттегі түлерінің (РОС) көбеюіне жауап ретінде қорғаныс механизмі ретінде пайда болды. Организмдер темірді қандай да бір нысанда сақтауды бастады, ал бұл жасушаішілік темір кейіннен магнитотаксис үшін магнитосомаларды құруға бейімделді. Бұл ертедегі МТБ алғашқы эукариоттық жасушалардың қалыптасуына қатысқан болуы мүмкін. Адамдар мен көгершіндердегі зерттеулер бұдан әлдеқайда қарапайым. Магнитотактикалық бактериялар өздерінің магнитосомаларын тізбектей орналастырады. Сондықтан, жасушаның магниттік дипольдік моменті әрбір БМҚ-ның дипольдік моменттерінің қосындысы болып табылады, бұл жасушаны пассивті түрде бағыттауға және суда кездесетін кездейсоқ жылулық күштерді жеңуге жеткілікті. Магнитосома аралында үш негізгі оперон бар: mamAB опероны, mamGFDC опероны және mms6 опероны. Қазіргі заманғы магнитосомалардың қалыптасуы мен жұмыс істеуі үшін маңызды 9 ген бар: mamA, mamB, mamE, mamI, mamK, mamM, mamO, mamP және mamQ. Барлық МТБ-да жақсы сақталған осы 9 геннен басқа, МТБ-да магнитотаксиске ықпал ететін 30-дан астам ген бар. Олар көпжасушалы магнитотактикалық прокариоттар (ММК) деп аталады. Морфологиясына қарамастан, бүгінгі күнге дейін зерттелген барлық МТБ флагелла арқылы қозғалады және әртүрлі филумдардың грам-теріс бактериялары болып табылады. Көптеген белгілі түрлер Pseudomonadota тобына жатады, мысалы, Magnetospirillum magneticum – альфапротеобактерия, бірақ әртүрлі филумдардың өкілдері магнитосома гендер кластеріне ие, мысалы, Candidatus Magnetobacterium bavaricum – Nitrospira. Флагелланың орналасуы әртүрлі болуы мүмкін: полярлық, биполярлық немесе шоғырлы. 16S рРНК гендер тізбектерін салыстыру арқылы магнитотактикалық бактериялар бойынша алғашқы филогенетикалық талдауды П. Эден және авторлар тобы 1991 жылы жүргізді. Магнитотактикалық бактериялардағы айқын әртүрлілік танытатын тағы бір белгі – бактериялық жасушаның ішінде магнитосомалардың орналасуы. Көптеген МТБ-да магнитосомалар әртүрлі ұзындығы мен саны бар тізбектерде жасушаның ұзын осі бойымен орналасады, бұл магниттік тұрғыдан ең тиімді бағдар. Дегенмен, кейбір МТБ-да магнитосомалардың шашыраңқы жиынтықтары немесе кластерлері кездеседі, әдетте жасушаның бір жағында, бұл көбінесе флагелланың бекітілу орнына сәйкес келеді. Магнитосомалардан басқа, МТБ-да элементтік күкірт, полифосфат немесе поли-β-гидроксибутираттан тұратын ірі инклюзиялық денелер жиі кездеседі. Қоршаған ортадағы үлгілерде, әсіресе шөгінділерде ең көп кездесетін МТБ – сәл жалпақталған жағында екі флагеллалық шоғыры бар кокоидты жасушалар. Бұл "билофотрихоздық" флагелляция түрі осы бактериялар үшін "Bilophococcus" туысын анықтауға себеп болды. Ал, табиғи үлгілерде тұрақты түрде байқалатын, бірақ таза мәдениетте оқшауланбаған екі морфологиялық жағынан ерекше МТБ – ММК және көп мөлшерде ілгек тәрізді магнитосомалар (Magnetobacterium bavaricum) бар үлкен таяқша.
Магнетизм
Магниттік кристаллдың физикалық дамуы екі фактормен анықталады: бірі – кристаллдың өсуімен бірге молекулалардың магниттік күштерін үйлестіруге бағытталған қозғалыс, ал екіншісі – кристаллдың магниттік күшін азайту, нәтижесінде молекуланың қарама-қарсы магниттік күшті сезініп, жабысуына мүмкіндік беру. Табиғатта бұл шамамен 150 нм қалыңдығы бар магниттік доменнің пайда болуына себеп болады, оның периметрінде молекулалар бағытын біртіндеп өзгертеді. Сондықтан, сыртқы магниттік өріс болмағанда темір магниттік қасиет көрсете алмайды. Сол сияқты, өте кішкентай магниттік бөлшектер бөлме температурасында магниттелу белгілерін көрсетпейді; олардың магниттік күші құрамындағы жылулық қозғалыстардың әсерінен үнемі өзгереді. Магниттік өріс бойымен бір бағытта тұрақты жүзуге қабілетті кейбір штаммдар (солтүстікке іздейтін [NS] немесе оңтүстікке іздейтін [SS]) – көбінесе магнитотактикалық кокцилер – полярлық магнитоаэротактикалық болып табылады. Бұл магнитотактикалық бактериялар Жердің магниттік өрісінің сызықтары бойынша өз бағытына сәйкес қозғалады, бірақ жергілікті, күшті және қарама-қарсы бағытталған магниттік өріске ұшырағанда топтасып бұрылып, бағытын өзгертеді. Осылайша, олар магниттік бағыт бойынша қозғала береді, бірақ жергілікті өріске қатысты. Магниттік өріс сызықтары бойынша екі бағытта жүзіп, жүзу бағытын жиі және спонтанды түрде өзгертетін, бірақ айналмайтын МТБ-лар (мысалы, тұщы су спириллілері) – осьтік магнитоаэротактикалық болып табылады және NS мен SS арасындағы айырмашылық осы бактерияларға қатысты емес. Магниттік өріс полярлық магнитоаэротактикалық бактериялар үшін қозғалыс осін және бағытын қамтамасыз етеді, ал осьтік типтегі бактериялар үшін тек қозғалыс осін ғана қамтамасыз етеді. Екі жағдайда да магнитотаксис вертикальдық концентрация градиенттерінде аэротаксистің тиімділігін арттырады, үш өлшемді іздеуді бір өлшемге дейін азайту арқылы. Ғалымдар магнетоаэротаксистің сипатталған моделін күрделірек редокстаксиске қарай кеңейтуді ұсынды. Бұл жағдайда, су тамшысындағы МТБ-ның бір бағыттағы қозғалысы – күрделі тотығу-тотықсыздану реакциясының бір ғана бөлігі болады. Полярлық магнитотаксистің мүмкін функциясының бір түсіндірмесі – өкілді микроорганизмдердің көпшілігі ірі күкірт инклюзияларына немесе темір сульфидтерінен тұратын магнитосомаларға ие болуымен сипатталатыны. Сондықтан, бұл бактериялардың метаболизмі, химиялық автотрофтық немесе миксотрофтық, төмендетілген күкірт қосылыстарын сіңіруге тікелей байланысты, ал бұл көптеген орталарда тек OATZ-де немесе одан төменгі тереңдікте ғана мүмкін болады, себебі жоғарғы қабаттардағы оттегі немесе басқа да тотықтырғыштар осы төмендетілген химиялық түрлерді жылдам тотықтырады. Мысалы, Thioploca тұқымдасына жататын микроорганизмдер күкіртті тотықтыру үшін жасуша ішінде сақталатын нитратты пайдаланады және тік қабықтарды дамытады, олардың ішінде қозғалмалы жіптердің шоғырлары орналасқан. Thioploca осы қабықтарды шөгіндіде тік бағытта тиімді қозғалу үшін пайдаланады деп есептеледі, осылайша терең қабаттарда сульфидтерді, ал жоғарғы қабаттарда нитраттарды жинақтайды. Кейбір МТБ үшін, сондай-ақ, төмендетілген күкірт қосылыстарын жинақтау үшін олардың мекендемесінің оттегісіз аймақтарына саяхаттау қажет болуы мүмкін.
PDZ аумағы
PDZ домендері – 6 β-жіпшелер мен 2 α-жіпшелерден тұратын құрылымдар, олар ақуыздардың С-терминалды аминқышқылдарын белгілі бір реттілік бойынша таниды. Көбінесе, С-терминалынан екінші аминқышқылы фосфорилденеді, бұл PDZ доменмен өзара әрекеттесуге кедерес жасайды. Осы құрылымдардағы сақталатын жалғыз қалдықтар – карбоксилді терминалды тануға қатысатын қалдықтар. PDZ домендері табиғатта кеңінен таралған, себебі олар көп ақуызды кешендер құрастырылатын негізгі құрылымды құрайды. Бұл, әсіресе, мембраналық ақуыздармен байланысты, мысалы, ішкі түзетуші K⁺ каналдары немесе β2 адренергиялық рецепторлары үшін.
Биоминералдану
Бірнеше деректер магнит пен грегиттің биоминералдануы үшін әртүрлі генетикалық жиынтықтардың бар екендігі туралы гипотезаға алып келді. Magnetospirillum magnetotacticum мәдениетінде темірді топырақта кең таралған басқа өтпелі металдармен (Ti, Cr, Co, Cu, Ni, Hg, Pb) алмастыру мүмкін емес. Сол сияқты, оттегі мен күкірт бір түрдің магнитосомасындағы металл емес элементтер ретінде бір-бірімен алмастырылмайды. Осыған байланысты, микроаэрофильді немесе анаэробты жағдайлар BMP пайда болуына жағдай жасайды. Бұдан өзге, бактериялар сіңіретін барлық темір тез магнетитке айналады, яғни кристалдардың қалыптасуы аралық темір қосылыстарының жиналуына дейін болмайды; сондай-ақ, биоминералдануға қажетті құрылымдар мен ферменттер бактериялардың ішінде-ақ бар екенін көрсетеді. Бұл қорытындылар аэробты жағдайда (сонымен қатар магниттік емес) өсірілген МТБ-дағы темір мөлшерінің басқа бактерия түрлерімен салыстырылатын деңгейде болуымен де расталады.
Басқа түрлермен симбиоз
Магнитотактикалық бактериялармен симбиоз кейбір теңіз проттистеріндегі магниторецепцияны түсіндіру үшін ұсынылған. Омыртқалы жануарларда да осыған ұқсас қатынас магниторецепцияның негізі болу мүмкіндігі зерттелуде.
Биотехнологияның қолданылуы
Белгілі бір қолданыстарда бактериялық магнетит химиялық синтезделген магнетитпен салыстырғанда бірнеше артықшылықтар ұсынады. Бактериялық магнитосома бөлшектері, химиялық жолмен өндірілгендерден өзгеше, тұрақты пішінге, магниттік доменнің бір диапазонында тар мөлшерлік таралуға және липидтер мен ақуыздардан тұратын мембраналық қаптамаға ие. Магнитосома қаптамасы биоактивті заттардың оның бетіне оңай байланысуына мүмкіндік береді, бұл көптеген қолданыстар үшін маңызды ерекшелік. Магнитотактикалық бактериялық жасушалар метеориттер мен ұсақ түйірлі магниттік минералдар бар тау жыныстарындағы оңтүстік магниттік полюстерді анықтау үшін, сондай-ақ магнитотактикалық бактериялық жасушаларды гранулоциттер мен моноциттерге фагоцитоз арқылы енгізгеннен кейін жасушаларды бөлу үшін қолданылды. Магнитотактикалық бактериялық магнетит кристалдары магниттік домендерді талдау зерттеулерінде және көптеген коммерциялық қолданыстарда пайдаланылды, оның ішінде: ферменттерді бекіту; магниттік антиденелерді жасау және иммуноглобулин G мөлшерін анықтау; флюоресцеин изотиоцианатымен байланыстырылған моноклоналды антидене арқылы Escherichia coli жасушаларын анықтау және жою; магнитотактикалық бактериялық магнетит бөлшектеріне бекітілген; және гендерді жасушаларға енгізу, онда магнитосомалар ДНК-мен қапталып, стандартты әдістермен түрлендіру қиын жасушаларға бөлшектерді "ату" үшін қолданылатын қару арқылы жіберіледі. Дегенмен, кез келген ірі масштабты коммерциялық қолданыс үшін магнитотактикалық бактерияларды жаппай өсіру немесе магнитосома синтезіне жауапты гендерді, мысалы, E. coli бактериясына енгізіп, экспрессиялау қажет, оны салыстырмалы түрде арзан бағамен өте жоғары өнімге дейін өсіруге болады. Бірқатар жетістіктерге қарамастан, бұл қолданыстағы таза мәдениеттермен әлі қол жеткізілмеді.