Введение
Магнитосомы – мембранные структуры, присутствующие в магнитотактических бактериях (МТБ). Они содержат богатые железом магнитные частицы, заключенные в липидный бислойный мембранный комплекс. Каждая магнитосома часто содержит от 15 до 20 кристаллов магнетита, образующих цепь, которая функционирует как компасная стрелка, ориентируя магнитотактические бактерии в геомагнитных полях и тем самым облегчая поиск ими предпочтительных микроаэрофильных сред обитания. Недавние исследования показали, что магнитосомы являются инвагинациями внутренней мембраны, а не свободно плавающими везикулами. Магнитосомы, содержащие магнетит, также обнаружены в эукариотических магнитотактических водорослях, причем каждая клетка содержит несколько тысяч кристаллов. В целом, кристаллы магнитосом характеризуются высокой химической чистотой, узким диапазоном размеров, видоспецифичной морфологией кристаллов и определенной организацией внутри клетки. Эти особенности свидетельствуют о том, что формирование магнитосом находится под строгим биологическим контролем и опосредовано биоминерализацией. Магнитотактические бактерии обычно минерализуют либо магнитосомы оксида железа, содержащие кристаллы магнетита (Fe3O4), либо магнитосомы сульфида железа, содержащие кристаллы грегита (Fe3S4). В магнитосомах сульфида железа также были идентифицированы другие минералы сульфида железа, включая маккинаит (тетрагональный FeS) и кубический FeS, которые предположительно являются предшественниками Fe3S4. Один из видов магнитотактических бактерий, обитающих в оксидно-аноксичной переходной зоне (OATZ) южной части устья реки Петтакуамскатт в Наррагансете, штат Род-Айленд, США, способен продуцировать как магнитосомы оксида железа, так и магнитосомы сульфида железа.
Magnetosomes are membranous structures present in magnetotactic bacteria (MTB). They contain iron rich magnetic particles that are enclosed within a lipid bilayer membrane. Each magnetosome can often contain 15 to 20 magnetite crystals that form a chain which acts like a compass needle to orient magnetotactic bacteria in geomagnetic fields, thereby simplifying their search for their preferred microaerophilic environments. Recent research has shown that magnetosomes are invaginations of the inner membrane and not freestanding vesicles. Magnetite bearing magnetosomes have also been found in eukaryotic magnetotactic algae, with each cell containing several thousand crystals. Overall, magnetosome crystals have high chemical purity, narrow size ranges, species specific crystal morphologies and exhibit specific arrangements within the cell. These features indicate that the formation of magnetosomes is under precise biological control and is mediated biomineralization. Magnetotactic bacteria usually mineralize either iron oxide magnetosomes, which contain crystals of magnetite ( |Fe3O4), or iron sulfide magnetosomes, which contain crystals of greigite ( |Fe3S4). Several other iron sulfide minerals have also been identified in iron sulfide magnetosomes—including mackinawite (tetragonal FeS) and a cubic FeS—which are thought to be precursors of |Fe3S4. One type of magnetotactic bacterium present at the oxic anoxic transition zone (OATZ) of the southern basin of the Pettaquamscutt River Estuary, Narragansett, Rhode Island, United States is known to produce both iron oxide and iron sulfide magnetosomes.
Цель
Магнитотактические бактерии – это широко распространенные, подвижные, разнообразные прокариоты, которые биоминерализуют уникальную органеллу, называемую магнитосомой. Магнитосома состоит из наноразмерного кристалла магнитного минерала железа, окруженного липидной бислойной мембраной. В клетках большинства магнитотактических бактерий магнитосомы организованы в хорошо упорядоченные цепочки. Цепочка магнитосом заставляет клетку вести себя как подвижная, миниатюрная стрелка компаса, выстраиваясь и плавая параллельно линиям магнитного поля. Магнитный дипольный момент клетки часто достаточно велик, чтобы его взаимодействие с магнитным полем Земли преодолевало тепловые силы, стремящиеся к случайной ориентации клетки в водной среде. Магнитотактические бактерии также используют аэротаксис – реакцию на изменения концентрации кислорода, направляющую плавание к зоне оптимальной концентрации кислорода. Концентрация кислорода в озерах и океанах обычно зависит от глубины. Если магнитное поле Земли имеет значительный нисходящий наклон, ориентация вдоль линий поля облегчает поиск оптимальной концентрации; этот процесс называется магнетоаэротаксисом.
Клетки с магнитосомой млекопитающих
Исследования показали наличие магнитосомных клеток в тканях мозга человека. Биосинтез частиц магнетита у позвоночных, таких как млекопитающие, предположительно аналогичен таковому у бактериальных клеток, хотя каких-либо подтверждающих данных нет. Отличия между бактериальными магнитосомами и магнитосомами человека заключаются, по-видимому, в количестве синтезируемых в клетке частиц магнетита, в организации этих частиц в кластеры у каждого организма и в функциях магнитосом. У одного вида магнитосомных бактерий может быть до 20 магнитных частиц, расположенных линейно в органелле для каждой клетки этого вида. У человека же может быть от 1000 до 10000 магнитных частиц, объединенных в кластер внутри органеллы, при этом такая органелла встречается лишь в одной из 5000 клеток. Наконец, функция человеческой магнитосомы пока неизвестна и не связана с обнаружением магнитного поля Земли.
Формирование
Магнитотактические бактерии используют процесс, известный как биоминерализация, для осуществления невероятной степени контроля над формированием минеральных кристаллов внутри магнитосом. Процесс биоминерализации позволяет МТБ контролировать форму и размер, а также ориентацию каждого отдельного кристалла магнетита. Эти специфические кристаллы магнетита все идентичны внутри вида, но между видами они могут различаться по размеру, структуре, способу формирования и количеству, но не по назначению. Они всегда используются для следования геомагнитным полям к более благоприятным климатическим условиям для бактерий. [[Файл:Формирование цепи магнитосом.png|мини|Формирование цепи магнитосом]]
Размер кристаллов магнитита
Магнитотактические кристаллы варьируются в размерах от 30 до 120 нанометров. Этот размер обеспечивает их магнитную стабильность и способствует оптимизации способности МТБ к магнитотаксису. Однодоменные кристаллы обладают максимально возможным магнитным моментом на единицу объема при заданном составе. Кристаллы меньшего размера были бы менее эффективны для формирования клеточного магнитного момента, поскольку они являются суперпарамагнитными и, следовательно, не обладают постоянной намагниченностью. Кристаллы, превышающие 120 нанометров, могут образовывать магнитные домены, направленные против желаемого направления. Хотя одна цепь магнитосом может показаться идеальной для магнитоаэротаксиса, у многих магнитотаксических бактерий наблюдаются магнитосомы или их расположение, отличающееся от идеального. Примером является наличие крупных магнитосом (до 200 нанометров) в кокковых клетках, обнаруженных в Бразилии.