2023 Szerző: Sophia Otis | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-05-21 01:49
Nem csak a vándormadarak tájékozódnak a Föld mágneses mezejében. A baktériumok – állítólag „egyszerű” organizmusok – is úgy fejlődtek, hogy képesek legyenek kihasználni a mágneses teret az optimális életkörülmények keresésében.
Az ilyen „magnetotaktikus” mikroorganizmusok egy miniatűr, sejtes iránytűt használnak, amely egyetlen nanomágnesekből, úgynevezett magnetoszómákból áll. Az egész baktérium iránytűként helyezkedik el a mágneses térben. Ez idáig nem volt világos, hogy a sejtek hogyan szervezik a magnetoszómákat stabil láncokká a mágneses vonzás miatti összeomlási hajlamukkal szemben.
De modern molekuláris-genetikai és képalkotó eljárások segítségével a brémai Max Planck Tengeri Mikrobiológiai Intézet és a németországi Martinsried Max Planck Biokémiai Intézet kutatói azonosították a magnetoszómalánc létrehozásáért felelős fehérjét. A tudósok kimutatták, hogy ez a fehérje a magnetoszómákat egy korábban ismeretlen citoszkeletális struktúra mentén rendezi el. Ez arra utal, hogy a genetika pontosan szabályozza a magnetoszóma láncot. A szerkezet az egyik legbonyolultabb, amit valaha bakteriális sejtekben találtak. Azokhoz az organellumokhoz hasonlítható, amelyeket a tudósok eddig csak magasabb rendű szervezetekben ismertek. (Nature, Advanced Online Publication, 2005. november 20.).
A magnetotaktikus baktériumok széles körben elterjedtek a tengeri környezet iszapjában. A sejt belsejében magnetoszómákat alkotnak, amelyek láncba rendeződnek. A baktériumok arra használják őket, hogy megkülönböztessék a "fel" és a "le" irányt a Föld mágneses terén, és magabiztosan navigálják magukat a vízrétegeken, hogy hatékonyan megtalálják az optimális növekedési feltételeket. A magnetoszómák a mágneses vas ásványi magnetit (Fe3O4) apró kristályaiból készülnek – mindössze körülbelül 50 nanométer méretűek (egy nanométer=milliméter egy milliomod része).
A magnetoszómák felépítéséhez a sejteknek nemcsak nagy mennyiségű vasat kell felvenniük a környezetükből, és ebből speciális vas-oxidot kell termelniük. A kristályoknak pontosan meghatározott számú, formájú és méretűnek kell lenniük, hogy hatékony mágneses térérzékelők legyenek. Az optimális működés érdekében a magnetoszóma kristályokat egyenes láncba kell felfűzni a sejt belsejében, így összegezve mágneses momentumaikat. Csak egy ilyen láncszerkezet teszi lehetővé, hogy a magnetoszómák úgy viselkedjenek együtt, mint egy iránytű tű, amely a baktériumokat a Föld viszonylag gyenge mágneses mezőjében irányítja. De eddig a tudósok nem tudták, hogyan jönnek létre a magnetoszómaláncok.
Dr. Dirk Schüler kutatócsoportja a Max Planck Tengeri Mikrobiológiai Intézetben a Magnetospirillum gryphiswaldense magnetotaktikus baktérium magnetoszómaképződését vizsgálja, amelyet a tudósok egy patak iszapjában találtak meg Greifswaldnál, az északkeleti sarkán. Németország. Nemrég a kutatóknak sikerült azonosítaniuk a DNS-nek azt a részét, amely úgy tűnt, hogy hordozza a magnetoszóma részecskék kialakulásához és szerveződéséhez szükséges teljes genetikai információt. Ebben a "magnetoszóma szigetként" ismert genomi fragmentumban legalább 25-30 különböző magnetoszóma gén található, amelyek pontos szerepét nem ismerték részletesen.
A kutatók alaposabban megvizsgálták a magnetoszómaszigetet és funkcióját. Rábukkantak egy génre, amelynek egyik terméke (többek között a magnetoszóma fehérjék között) a membrán egyik alkotóeleme, amely minden egyes magnetitkristályt körülvesz. Ez a MamJ-nek nevezett fehérje szokatlanul nagy mennyiségű aminosavat tartalmaz, ismétlődésekbe rendezve. A MamJ távoli hasonlóságot mutat azokkal a fehérjékkel, amelyek más bioásványokban, például csontokban, fogakban, otolitokban és kagylóhéjban szabályozzák a kristályosodási folyamatokat. Így a tudósok kezdetben azt gyanították, hogy a MamJ felelős a magnetitkristályok kialakulásáért.
Bár a Magnetospirillum gryphiswaldense laboratóriumi tenyésztése és manipulálása nehézkes, André Scheffelnek doktori munkája részeként sikerült eltávolítania a genomból a megfelelő gént. Ily módon mutáns baktériumok jöttek létre, amelyekből hiányzott a MamJ fehérje. A mutánsok meglepő módon még mindig olyan magnetoszóma kristályokat fejlesztettek ki, amelyek alakjában, méretében és számában a vad típushoz hasonlítottak. De a mágneses tér érzékelő funkciójának érzékenysége megszakadt; a sejtek csak gyengén tudtak tájékozódni a mágneses térben. Az elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a mutánsok magnetoszóma kristályai nem építettek fel tökéletesen szervezett lineáris láncot – ahogy a vad típus tette –, hanem szabálytalanul elrendezett klaszterekké csomósodtak össze.
A tudósok genetikailag a MamJ fehérjét a GFP fluoreszcens riporterfehérjével ("zöld fluoreszcens fehérje") jelölték meg, és így nyomon követhették a fúziós fehérjét az élő baktériumsejtekben. Amint azt gyanították, a fehérje a magnetoszómalánchoz kapcsolódik. A mikroszkóppal azonban nyilvánvalóvá vált, hogy a MamJ egy fonalas szerkezet mentén rendeződik el, amely zsinórként halad végig az egész sejten. Ennek a szerkezetnek a keresésekor a kutatók egy új elektronmikroszkópos módszert alkalmaztak, amelyet a Max Planck Biokémiai Intézet Molekuláris Szerkezetbiológiai Tanszékén fejlesztettek ki, és amely már segített számos sejtszerkezetre és funkcióra fényt deríteni.
A ciroelektrontomográfia lehetővé teszi a szerkezetek részletes elemzését egy érintetlen, sokkhatástól lefagyott sejtben (mínusz 196 Celsius fok), és három dimenzióban, mindössze néhány nanométeres felbontással megjelenítheti azokat. Dr. Jürgen Plitzko Martinsried-i kutatócsoportjában Manuela Gruska doktori munkája során mágneses baktériumsejteket vizsgált ezzel a technológiával, és a vad típust hasonlította össze a MamJ mutánsokkal. Nemcsak a magnetitkristályt, hanem a környező membránhólyagot is láthatóvá tudta tenni, olyan felbontásban, amelyet korábban soha nem ért el.
Csodálatos módon a tudósok egy korábban ismeretlen fonalas szerkezetet láttak a vad típusú sejtek magnetoszómalánca mentén. Hasonló szerkezetre hasonlított, amelyet Martinsried strukturális biológusai már három dimenzióban leképeztek más sejtekben. Ez rávilágított a magnetoszóma lánccal kapcsolatos probléma lényegére: bár a vad típusban a magnetoszómák gyöngyként hevertek egy szálon a filamentum mentén, a MamJ hiányzó sejtekben az üres magnetoszóma vezikulák szétszóródtak. Ez azt is megmagyarázza, hogy a mágneses kristályok miért csomósodnak össze mutáns baktériumokban, amint egy bizonyos méretre nőnek.
A tudósok azt feltételezik, hogy a MamJ fehérje egyrészt a magnetoszóma felszínén, másrészt az újonnan felfedezett filamentumban fejlődik ki. Így lehetővé teszi a szoros kapcsolatot a magnetoszóma vezikula és a szerkezet között. Ez újabb bizonyítéka annak, hogy a baktériumok citoszkeletális struktúrái milyen sokrétű funkcióval bírnak, és amelyek hosszú ideig csak eukariótákban ismertek, vagyis olyan szervezetekben, amelyek sejtjei sejtmaggal rendelkeznek.
Az a tény, hogy a bakteriális nanomágnesek láncszerkezetét pontosan a genetika szabályozza, szintén hatással lehet a magasabb rendű organizmusok mágneses térre való orientációjának megértésére. Néhány éve tudjuk, hogy bizonyos állatok – például a vándorló lazac vagy a házigalambok – bizonyos szövetekben magnetit kristályláncokkal rendelkeznek. Ezek a láncok elképesztően hasonlóak a baktériumokban lévő láncokhoz, és valószínűleg egy kapcsolódó mechanizmus révén fejlődnek ki.
