Магнитотактические бактерии: история открытия и свойства.

Введение

Полифилетическая группа бактерий

Магнитотактические бактерии (или МТБ) – это полифилетическая группа бактерий, ориентирующихся вдоль линий магнитного поля Земли. Это выравнивание было впервые обнаружено в 1963 году Сальватором Беллини и повторно открыто в 1975 году Ричардом Блейкмором. Считается, что оно помогает этим организмам достигать областей с оптимальной концентрацией кислорода. Для этого бактерии обладают органеллами, называемыми магнитосомами, содержащими магнитные кристаллы. Биологическое явление, при котором микроорганизмы стремятся перемещаться в ответ на магнитные характеристики окружающей среды, известно как магнитотаксис. Однако этот термин может вводить в заблуждение, поскольку во всех остальных случаях использование термина "таксис" подразумевает наличие механизма реакции на стимул. В отличие от магнеторецепции у животных, бактерии содержат постоянные магниты, которые заставляют их выстраиваться в линию – даже мертвые клетки притягиваются к направлению поля, подобно стрелке компаса.

Введение

Первое описание магнитотактических бактерий было сделано в 1963 году Сальваторе Беллини из Университета Павии. Наблюдая за болотистыми отложениями под микроскопом, Беллини заметил группу бактерий, которые, очевидно, ориентировались в определенном направлении. Он понял, что эти микроорганизмы перемещаются по направлению к Северному полюсу и поэтому назвал их «магнеточувствительными бактериями». Публикации носили академический характер (подвергались рецензированию редакционным комитетом Института микробиологии под ответственностью директора Института, профессора Л. Бьянки, как это было принято в европейских университетах того времени) и были представлены на итальянском языке с краткими резюме на английском, французском и немецком языках в официальном журнале известного учреждения, однако необъяснимо не привлекли особого внимания, пока в 2007 году они не были доведены до сведения Ричарда Франкеля. Франкель перевел их на английский язык, и переводы были опубликованы в Китайском журнале океанографии и лимнологии. Ричард Блейкмор, в то время аспирант-микробиолог в Массачусетском университете в Амхерсте, работавший в Океанографическом институте Вудс-Холл, в чьих коллекциях сохранились соответствующие публикации Института микробиологии Университета Павии, наблюдал микроорганизмы, следующие по направлению магнитного поля Земли. Блейкмор не упомянул исследования Беллини в своем отчете, опубликованном в журнале Science, но смог наблюдать цепи магнитосом с помощью электронного микроскопа. Термины Беллини для описания этого поведения, а именно , или , text=magnetisch empfindliche Bakterien и (первая публикация Беллини, последняя страница), были забыты, и термин «магнетотаксис», предложенный Блейкмором, был принят научным сообществом. Эти бактерии стали объектом многочисленных экспериментов. Они даже побывали на борту космического шаттла для изучения их магнитотактических свойств в условиях невесомости, но окончательных выводов сделано не было. Чувствительность магнитотактических бактерий к магнитному полю Земли обусловлена тем, что эти бактерии осаждают цепи кристаллов магнитных минералов внутри своих клеток. На сегодняшний день известно, что все магнитотактические бактерии осаждают либо магнетит, либо грейгит. Эти кристаллы, а иногда и цепи кристаллов, могут сохраняться в геологической летописи в виде магнитофоссилий. Самые древние достоверные магнитофоссилии обнаружены в меловых отложениях южной Англии, хотя менее уверенные сообщения о магнитофоссилиях датируются возрастом 1,9 миллиарда лет – формацией Ганфлинт. Также были выдвинуты предположения об их существовании на Марсе, основанные на форме частиц магнетита в марсианском метеорите ALH84001, однако эти утверждения вызывают серьезные споры.

The first description of magnetotactic bacteria was in 1963 by Salvatore Bellini of the University of Pavia. While observing bog sediments under his microscope, Bellini noticed a group of bacteria that evidently oriented themselves in a unique direction. He realized these microorganisms moved according to the direction of the North Pole, and hence called them "magnetosensitive bacteria". The publications were academic (peer reviewed by the Istituto di Microbiologias editorial committee under responsibility of the Institute's Director Prof. L. Bianchi, as usual in European universities at the time) and communicated in Italian with English, French and German short summaries in the official journal of a well known institution, yet unexplainedly seem to have attracted little attention until they were brought to the attention of Richard Frankel in 2007. Frankel translated them into English and the translations were published in the Chinese Journal of Oceanography and Limnology. Richard Blakemore, then a microbiology graduate student at the University of Massachusetts at Amherst, working in the Woods Hole Oceanographic Institution in whose collections the pertinent publications of the Institute of Microbiology of the University of Pavia were extant, observed microorganisms following the direction of Earth's magnetic field. Blakemore did not mention Bellini's research in his own report, which he published in Science, but was able to observe magnetosome chains using an electron microscope. Bellini's terms for this behavior, namely , or , text=magnetisch empfindliche Bakterien and (Bellini's first publication, last page), went forgotten, and Blakemore's "magnetotaxis" was adopted by the scientific community. These bacteria have been the subject of many experiments. They have even been aboard the Space Shuttle to examine their magnetotactic properties in the absence of gravity, but a definitive conclusion was not reached. The sensitivity of magnetotactic bacteria to the Earth's magnetic field arises from the fact these bacteria precipitate chains of crystals of magnetic minerals within their cells. To date, all magnetotactic bacteria are reported to precipitate either magnetite or greigite. These crystals, and sometimes the chains of crystals, can be preserved in the geological record as magnetofossils. The oldest unambiguous magnetofossils come from the Cretaceous chalk beds of southern England, though less certain reports of magnetofossils extend to 1.9 billion years old Gunflint chert. There have also been claims of their existence on Mars based on the shape of magnetite particles within the Martian meteorite ALH84001, but these claims are highly contested.

Биология

Существует несколько различных морфологий (форм) МТБ, отличающихся числом, расположением и структурой содержащихся в них бактериальных магнитных частиц (БМП). МТБ можно подразделить на две категории в зависимости от того, производят ли они частицы магнетита или грейгита, хотя некоторые виды способны производить и то, и другое. Магнетит обладает магнитным моментом в три раза большим, чем у грейгита. Предполагается, что МТБ эволюционировали в раннем архейском эоне, поскольку увеличение концентрации атмосферного кислорода давало организмам эволюционное преимущество в виде магнитной навигации. Магнитосомы впервые эволюционировали как защитный механизм в ответ на увеличение количества реактивных форм кислорода (РФК), возникшее в результате Великого кислородного события. Организмы начали запасать железо в той или иной форме, и это внутриклеточное железо впоследствии было адаптировано для формирования магнитосом, обеспечивающих магнитотаксис. Эти ранние МТБ могли участвовать в формировании первых эукариотических клеток. Результаты исследований у людей и голубей значительно менее развиты. Магнитотактические бактерии организуют свои магнитосомы в линейные цепочки. Магнитный дипольный момент клетки, таким образом, является суммой дипольных моментов каждой БМП, что достаточно для пассивной ориентации клетки и преодоления случайных тепловых сил, встречающихся в водной среде. В магнитосомном острове выделяют три основных оперона: mamAB, mamGFDC и mms6. Существует 9 генов, необходимых для формирования и функционирования современных магнитосом: mamA, mamB, mamE, mamI, mamK, mamM, mamO, mamP и mamQ. Помимо этих 9 хорошо консервативных генов, присутствующих во всех МТБ, существует более 30 генов, которые вносят вклад в магнитотаксис у МТБ, именуемых многоклеточным магнитотактическим прокариотом (MMP). Независимо от морфологии, все изученные на сегодняшний день МТБ подвижны с помощью жгутиков и являются грамотрицательными бактериями, принадлежащими к различным типам. Несмотря на то, что большинство известных видов относятся к Pseudomonadota, например, Magnetospirillum magneticum (альфапротеобактерия), представители различных типов обладают кластером генов магнитосом, таких как Candidatus Magnetobacterium bavaricum (Nitrospira). Расположение жгутиков различается и может быть полярным, биполярным или в пучках. Первый филогенетический анализ магнитотактических бактерий на основе сравнения последовательностей гена 16S рРНК был проведен P. Eden и соавторами в 1991 году. Еще одна черта, демонстрирующая значительное разнообразие, – это расположение магнитосом внутри бактериальной клетки. У большинства МТБ магнитосомы выстроены в цепочки различной длины и количества вдоль продольной оси клетки, что является наиболее эффективной магнитной ориентацией. Однако у некоторых МТБ встречаются рассеянные агрегаты или скопления магнитосом, обычно на одной стороне клетки, что часто соответствует месту прикрепления жгутиков. Помимо магнитосом, в МТБ часто встречаются крупные включения, содержащие элементарную серу, полифосфат или поли-β-гидроксибутират. Наиболее распространенным типом МТБ, встречающимся в образцах окружающей среды, особенно в осадках, являются коккоидные клетки, имеющие два пучка жгутиков на слегка сплющенной стороне. Этот "билофотрихозный" тип жгутиков послужил основанием для предварительного рода "Bilophococcus" для этих бактерий. В отличие от них, два из морфологически наиболее заметных МТБ, регулярно наблюдаемых в природных образцах, но никогда не выделенных в чистую культуру, – это MMP и крупная палочка, содержащая большое количество крючкообразных магнитосом (Magnetobacterium bavaricum).

Several different morphologies (shapes) of MTB exist, differing in number, layout and pattern of the bacterial magnetic particles (BMPs) they contain. The MTBs can be subdivided into two categories, according to whether they produce particles of magnetite or of greigite , although some species are capable of producing both. Magnetite possesses a magnetic moment with three times the magnitude of greigite. It has been suggested MTB evolved in the early Archean Eon, as the increase in atmospheric oxygen meant that there was an evolutionary advantage for organisms to have magnetic navigation. Magnetosomes first evolved as a defense mechanism in response to the increase of reactive oxygen species (ROS) that resulted from the Great Oxygenation Event. Organisms began to store iron in some form, and this intracellular iron was later adapted to form magnetosomes for magnetotaxis. These early MTB may have participated in the formation of the first eukaryotic cells. Reports in humans and pigeons are far less advanced. Magnetotactic bacteria organize their magnetosomes in linear chains. The magnetic dipole moment of the cell is therefore the sum of the dipole moment of each BMP, which is then sufficient to passively orient the cell and overcome the casual thermal forces found in a water environment. There are three main operons in the magnetosome island: the mamAB operon, the mamGFDC operon, and the mms6 operon. There are 9 genes that are essential for the formation and function of modern magnetosomes: mamA, mamB, mamE, mamI, mamK, mamM, mamO, mamP, and mamQ. In addition to these 9 genes that are well conserved across all MTB, there are more than 30 total genes that contribute to magnetotaxis in MTB. referred to as the many celled magnetotactic prokaryote (MMP). Regardless of their morphology, all MTB studied so far are motile by means of flagella and are gram negative bacteria of various phyla. Despite the majority of known species being Pseudomonadota, e. g. Magnetospirillum magneticum, an alphaproteobacterium, members of various phyla possess the magnetosome gene cluster, such as Candidatus Magnetobacterium bavaricum, a Nitrospira. The arrangement of flagella differs and can be polar, bipolar, or in tufts. The first phylogenetic analysis on magnetotactic bacteria using 16S rRNA gene sequence comparisons was performed by P. Eden et al. in 1991. Another trait that shows considerable diversity is the arrangement of magnetosomes inside the bacterial cell. In the majority of MTB, the magnetosomes are aligned in chains of various lengths and numbers along the cell's long axis, which is magnetically the most efficient orientation. However, dispersed aggregates or clusters of magnetosomes occur in some MTB, usually at one side of the cell, which often corresponds to the site of flagellar insertion. Besides magnetosomes, large inclusion bodies containing elemental sulfur, polyphosphate, or poly β hydroxybutyrate are common in MTB. The most abundant type of MTB occurring in environmental samples, especially sediments, are coccoid cells possessing two flagellar bundles on a somewhat flattened side. This "bilophotrichous" type of flagellation gave rise to the tentative genus "Bilophococcus" for these bacteria. In contrast, two of the morphologically more conspicuous MTB, regularly observed in natural samples, but never isolated in pure culture, are the MMP and a large rod containing copious amounts of hook shaped magnetosomes (Magnetobacterium bavaricum).

Магнетизм

Физическое развитие магнитного кристалла определяется двумя факторами: один способствует выравниванию магнитной силы молекул по мере роста кристалла, а другой уменьшает магнитную силу кристалла, позволяя молекуле присоединяться, испытывая при этом противоположную магнитную силу. В природе это приводит к образованию магнитных доменов, окружающих периметр домена слоем магнетита толщиной около 150 нм, внутри которого молекулы постепенно меняют ориентацию. Именно поэтому железо не является магнитным в отсутствие внешнего поля. Аналогично, чрезвычайно мелкие магнитные частицы не проявляют признаков намагниченности при комнатной температуре; их магнитная сила постоянно изменяется под воздействием теплового движения, присущего их составу. Некоторые штаммы, настойчиво плавающие в одном направлении вдоль магнитного поля (либо ориентированные на север [NS], либо на юг [SS]) – в основном магнитотактические кокки – являются полярными магнитоаэротактическими. Эти магнитотактические бактерии перемещаются по линиям магнитного поля Земли в соответствии со своей ориентацией, но могут отклоняться группой и менять направление, если подвергаются воздействию локального, более сильного и противоположно ориентированного магнитного поля. Таким образом, они продолжают двигаться в одном и том же магнитном направлении, но уже относительно локального поля. МТБ, плавающие в любом направлении вдоль линий магнитного поля с частыми, спонтанными изменениями направления плавания без разворота (например, пресноводные спириллы), являются осевыми магнитоаэротактическими, и для этих бактерий различие между NS и SS не имеет значения. Магнитное поле обеспечивает как ось, так и направление движения для полярных магнитоаэротактических бактерий, в то время как для осевых типов бактерий оно обеспечивает только ось движения. В обоих случаях магнитотаксис повышает эффективность аэротаксиса в вертикальных градиентах концентрации, сокращая трехмерный поиск до одномерного. Ученые также предложили расширить описанную модель магнитоаэротаксиса до более сложной редокстаксии. В этом случае однонаправленное движение МТБ в капле воды будет лишь одним из аспектов сложной реакции, контролируемой окислительно-восстановительной системой. Одним из указаний на возможную функцию полярной магнитотаксии может быть то, что большинство представителей микроорганизмов характеризуются наличием либо крупных включений серы, либо магнитосом, состоящих из сульфидов железа. Следовательно, можно предположить, что метаболизм этих бактерий, будь то хемолитоавтотрофный или миксотрофный, сильно зависит от поглощения восстановленных соединений серы, которое во многих средах обитания происходит только в более глубоких слоях на уровне или ниже ОАТЗ из-за быстрого химического окисления этих восстановленных видов кислородом или другими окислителями в верхних слоях. Например, микроорганизмы рода Thioploca используют нитрат, который накапливается внутри клеток, для окисления сульфида и развили вертикальные оболочки, в которых расположены пучки подвижных нитей. Предполагается, что Thioploca используют эти оболочки для эффективного перемещения в вертикальном направлении в осадках, тем самым накапливая сульфид в более глубоких слоях и нитрат в верхних слоях. Некоторым МТБ также может потребоваться совершать вылазки в аноксичные зоны их среды обитания для накопления восстановленных соединений серы.

The physical development of a magnetic crystal is governed by two factors: one is moving to align the magnetic force of the molecules in conjunction with the developing crystal, while the other reduces the magnetic force of the crystal, allowing an attachment of the molecule while experiencing an opposite magnetic force. In nature, this causes the existence of a magnetic domain, surrounding the perimeter of the domain, with a thickness of approximately 150nm of magnetite, within which the molecules gradually change orientation. For this reason, the iron is not magnetic in the absence of an applied field. Likewise, extremely small magnetic particles do not exhibit signs of magnetisation at room temperature; their magnetic force is continuously altered by the thermal motions inherent in their composition. Some strains that swim persistently in one direction along the magnetic field (either north seeking [NS] or south seeking [SS])—mainly the magnetotactic cocci—are polar magneto aerotactic. These magnetotactic bacteria will travel along the lines of the earth's magnetic field according to their orientation, but will swerve as a group and reverse direction if exposed to a local, more powerful and oppositely oriented magnetic field. In this way, they continue to travel in the same magnetic direction, but relative instead to the local field. Those MTB that swim in either direction along magnetic field lines with frequent, spontaneous reversals of swimming direction without turning around—for example, freshwater spirilla—are axial magneto aerotactic and the distinction between NS and SS does not apply to these bacteria. The magnetic field provides both an axis and a direction of motility for polar magneto aerotactic bacteria, whereas it only provides an axis of motility for axial types of bacteria. In both cases, magnetotaxis increases the efficiency of aerotaxis in vertical concentration gradients by reducing a three dimensional search to a single dimension. Scientists have also proposed an extension of the described model of magneto aerotaxis to a more complex redoxtaxis. In this case, the unidirectional movement of MTB in a drop of water would be only one aspect of a sophisticated redox controlled response. One hint for the possible function of polar magnetotaxis could be that most of the representative microorganisms are characterised by possessing either large sulfur inclusions or magnetosomes consisting of iron sulfides. Therefore, it may be speculated that the metabolism of these bacteria, being either chemolithoautotrophic or mixotrophic, is strongly dependent on the uptake of reduced sulfur compounds, which occurs in many habitats only in deeper regions at or below the OATZ due to the rapid chemical oxidation of these reduced chemical species by oxygen or other oxidants in the upper layers. Microorganisms belonging to the genus Thioploca, for example, use nitrate, which is stored intracellularly, to oxidize sulfide, and have developed vertical sheaths in which bundles of motile filaments are located. It is assumed that Thioploca use these sheathes to move efficiently in a vertical direction in sediment, thereby accumulating sulfide in deeper layers and nitrate in upper layers. For some MTB, it might also be necessary to perform excursions to anoxic zones of their habitat to accumulate reduced sulfur compounds.

Домен PDZ

Домены PDZ – это структуры, состоящие из 6 β-нитей и 2 α-спиралей, которые распознают C-концевые аминокислоты белков последовательно-специфичным образом. Как правило, третий аминокислотный остаток от C-конца фосфорилируется, что препятствует взаимодействию с доменом PDZ. Единственными консервативными остатками в этих структурах являются те, которые участвуют в распознавании карбоксильного конца. Домены PDZ широко распространены в природе, поскольку они формируют основу для сборки мультипротеиновых комплексов. Это особенно характерно для белков, связанных с мембранными белками, такими как K+-каналы, выпрямляющие ток внутрь, или β2-адренергические рецепторы.

Биоминерализация

Несколько улик привели к гипотезе о существовании различных генетических наборов для биоминерализации магнита и грегита. В культурах Magnetospirillum magnetotacticum железо нельзя заменить другими переходными металлами (Ti, Cr, Co, Cu, Ni, Hg, Pb), обычно встречающимися в почве. Аналогичным образом, кислород и сера не являются взаимозаменяемыми неметаллическими элементами в магнитосомах у одного и того же вида. Таким образом, микроаэрофильные или анаэробные условия создают благоприятный потенциал для формирования биомагнитных частиц (BMP). Более того, все железо, поглощаемое бактериями, быстро превращается в магнетит, что указывает на то, что образованию кристаллов не предшествует накопление промежуточных соединений железа; это также говорит о том, что структуры и ферменты, необходимые для биоминерализации, уже присутствуют в бактериях. Эти выводы также подтверждаются тем фактом, что MTB, культивируемые в аэробных условиях (и, следовательно, не обладающие магнитными свойствами), содержат количество железа, сопоставимое с любым другим видом бактерий.

Симбиоз с другими видами

Симбиоз с магнитотактическими бактериями был предложен в качестве объяснения магниторецепции у некоторых морских простейших. Ведутся исследования, может ли аналогичные отношения быть причиной магниторецепции у позвоночных.

Применения биотехнологии

В некоторых областях применения бактериальный магнетит обладает рядом преимуществ по сравнению с химически синтезированным магнетитом. Бактериальные частицы магнитосом, в отличие от химически полученных, имеют однородную форму, узкое распределение размеров в пределах одного магнитного домена и мембранное покрытие, состоящее из липидов и белков. Оболочка магнитосомы обеспечивает простое присоединение биоактивных веществ к ее поверхности, что важно для многих применений. Магнитотактические бактериальные клетки использовались для определения южных магнитных полюсов в метеоритах и породах, содержащих мелкозернистые магнитные минералы, а также для разделения клеток после введения магнитотактических бактериальных клеток в гранулоциты и моноциты посредством фагоцитоза. Кристаллы бактериального магнетита, продуцируемые магнитотактическими бактериями, применялись в исследованиях анализа магнитных доменов и в различных коммерческих приложениях, включая: иммобилизацию ферментов; создание магнитных антител и количественное определение иммуноглобулина G; обнаружение и удаление клеток Escherichia coli с использованием конъюгированного моноклонального антитела, меченного флуоресцеинизотиоцианатом, иммобилизованного на частицах бактериального магнетита; и введение генов в клетки – технология, при которой магнитосомы покрываются ДНК и вводятся в клетки, трудно поддающиеся трансформации стандартными методами, с помощью генной пушки. Однако, необходимое условие для любого крупномасштабного коммерческого применения – это массовое культивирование магнитотактических бактерий или введение и экспрессия генов, ответственных за синтез магнитосом, в бактерию, например, E. coli, которую можно относительно недорого выращивать в очень больших объемах. Несмотря на достигнутый прогресс, массовое культивирование магнитотактических бактерий с использованием доступных чистых культур пока не удалось реализовать.