Написано AZoNano 25 марта 2020 г. [19459][19459 19009

Инновационные биоматериалы могут быть вскоре произведены с использованием магнитных бактерий. Возглавляемый профессором доктором Дирком Шюлером, группа микробиологов из Университета Байройта создала новую модульную систему для генетического перепрограммирования бактерий и, таким образом, превращения этих патогенов в клеточные фабрики для многофункциональных магнитных наночастиц – наночастиц, которые объединяют многочисленные полезные свойства и функции.

Эти наночастицы обладают хорошей биосовместимостью и превосходными магнитными свойствами, что делает их потенциальным новым материалом в области биотехнологии и биомедицины. Исследователи описали свои результаты в Small журнале.

От магнитосом до универсальных наночастиц

Магнитные бактерии, принадлежащие к видам Magnetospirillum gryphiswaldense выравнивают свое плавательное поведение вдоль магнитного поля Земли. Магнитные наночастицы, называемые магнитосомами, внутри клеток организованы в виде цепочек, создавая таким образом внутриклеточную иглу компаса.

Каждая магнитосома содержит магнитное ядро ​​из оксида железа, которое окружено мембраной. Эта мембрана включает в себя ряд различных белков, кроме липидов. В Университете Байройта микробиологи эффективно связали биохимически активные функциональные группы с этими белками. Эти функциональные группы возникают из разных чужеродных организмов.

Техника, используемая в этом исследовании, начинается на стадии бактериальных генов, которые участвуют в биосинтезе мембранных белков. Такие бактериальные гены присоединяются к чужеродным генам от других организмов, которые регулируют синтез соответствующих функциональных белков.

Как только гены повторно включены в геном, бактерии, которые были перепрограммированы, создают магнитосомы, которые демонстрируют эти чужеродные белки. Эти бактерии были постоянно прикреплены к поверхности частиц.

При анализе мембранные белки были связаны с четырьмя различными функциональными группами (то есть чужеродными белками). Эти функциональные группы включают глюкозооксидазу, фермент, продуцируемый грибком плесени, который уже используется биотехнологически, например, в качестве «датчика сахара» при диабетических заболеваниях.

Кроме того, фермент-продуцент красителя, продуцируемый бактерией Escherichia coli активность которой легко определить количественно, и зеленый флуоресцентный белок из медузы были загружены на поверхность магнитосом. Фрагмент антитела от ламы (альпака) представлял четвертую функциональную группу, и его использовали в качестве многоцелевого соединителя. Таким образом, бактерии были генетически закодированы со всеми этими характеристиками, включая превосходную намагниченность магнитосом.

Используя эту генетическую стратегию, мы перепрограммировали бактерии для производства магнитосом, которые светятся зеленым при облучении УФ-светом и в то же время демонстрируют новые биокаталитические функции. Различные биохимические функции могут быть точно установлены на их поверхности. Таким образом, магнитосомы из живых бактерий превращаются в многофункциональные наночастицы с захватывающими функциями и свойствами.

Д-р Дирк Шулер, руководитель исследования и профессор кафедры микробиологии, Университет Байройта

Д-р Шюлер продолжил: « Кроме того, частицы остаются полностью функциональными, когда они изолированы от бактерий – что может быть легко выполнено с использованием их собственных магнитных свойств ».

Генетический инструментарий для применения в биомедицине и биотехнологии

Функционализация магнитосом определенно не ограничивается функциональными группами, которые были прикреплены к поверхности частиц командой микробиологов из Университета Байройта. Скорее, эти белки могут быть легко заменены другими функциями, предлагая чрезвычайно многоцелевую платформу.

Следовательно, генетическое перепрограммирование прокладывает путь широкому спектру для проектирования поверхности магнитосом. Он предлагает основу для «генетического инструментария», который помогает создавать индивидуальные магнитные наночастицы, усваивая различные полезные свойства и функции. Все эти частицы имеют размеры 3-5 нм.

Наш генно-инженерный подход очень избирателен и точен по сравнению, например, с химическими методами сочетания, которые не столь эффективны и не имеют такой высокой степени контроля .

Доктор Фрэнк Миколейт, первый автор исследования и микробиолог, Университет Байройта

Доктор Миколеит указал на решающее преимущество новых биоматериалов: « Предыдущие исследования показали, что магнитные наночастицы, вероятно, не вредны для клеточных культур. Хорошая биосовместимость является важной предпосылкой для будущего применения частиц в биомедицине, например, в качестве контрастных веществ в методах магнитной визуализации или в качестве магнитных датчиков в диагностике. »

« В будущем, например, подобные частицы могут помочь обнаружить и уничтожить опухолевые клетки. Биореакторные системы являются еще одной областью применения. Магнитные наночастицы, оснащенные крошечными катализаторами, были бы очень подходящими для этой цели и позволили бы выполнять сложные биохимические процессы », – добавил доктор Миколайт.

Существует огромный потенциал применения наночастиц, которые демонстрируют различные функциональные группы на поверхности, особенно в области биотехнологии и биомедицины. Магнитные бактерии теперь могут служить платформой для универсального наноинструмента, вдохновляющего научное творчество в области синтетической биологии. Это инициирует дальнейшие интересные исследовательские подходы.

Кларисса Ланцлот, доктор наук, микробиолог, Университет Байройта

Ланцлот также участвовала в последнем исследовании в качестве соавтора во время завершения своей магистерской диссертации по теме «Биохимия и молекулярная биология» в Университете Байройта.

Источник: https://www.uni-bayreuth.de/