Et genetisk nano-værktøjssæt til generering af nye biomaterialer

Magnetiske bakterier kan snart blive brugt til produktion af nye biomaterialer. Et team af mikrobiologer ved University of Bayreuth ledet af prof. Dr. Dirk Schüler udviklede et modulært system til genetisk omprogrammering af bakterier, derved forvandler organismerne til cellefabrikker for multifunktionelle magnetiske nanopartikler, der kombinerer forskellige nyttige funktioner og egenskaber. På grund af deres exceptionelle magnetiske egenskaber og gode biokompatibilitet, disse nanopartikler kan være et lovende nyt materiale inden for det biomedicinske og bioteknologiske område. I journalen Lille forskerne præsenterede deres resultater.

Fra magnetosomer til alsidige nanopartikler

Magnetiske bakterier af arten Magnetospirillum gryphiswaldense tilpasser deres svømmeadfærd langs Jordens magnetfelt. Inden i cellerne, magnetiske nanopartikler, magnetosomerne, er arrangeret på en kædelignende måde, derved dannes en intracellulær kompasnål. Hvert magnetosom består af en magnetisk jernoxidkerne omgivet af en membran. Ud over lipider, denne membran indeholder også en række forskellige proteiner. Mikrobiologerne fra University of Bayreuth er nu lykkedes med at koble biokemisk aktive funktionelle grupper, som stammer fra forskellige fremmede organismer, til disse proteiner. Metoden, der anvendes her, starter på stadiet af de gener, der er ansvarlige for biosyntesen af ​​membranproteinerne. Disse bakterielle gener er fusioneret til fremmede gener fra andre organismer, der styrer produktionen af ​​de respektive funktionelle proteiner. Så snart generne genintegreres i genomet, de omprogrammerede bakterier producerer magnetosomer, der viser disse fremmede proteiner permanent installeret på partikeloverfladen.

I undersøgelsen, fire forskellige funktionelle grupper (dvs. fremmede proteiner) blev koblet til membranproteinerne. Disse omfatter enzymet glucoseoxidase fra en skimmelsvamp, som allerede bruges bioteknologisk, fx som "sukkersensor" ved diabetessygdomme. Ud over, et grønt fluorescerende protein fra en vandmand og et farvestofproducerende enzym fra bakterien Escherichia coli, hvis aktivitet let kan måles, blev installeret på overfladen af ​​magnetosomerne. Den fjerde funktionelle gruppe er et antistoffragment fra en lama (Alpaca), der blev brugt som en alsidig forbindelse. Dermed, alle disse egenskaber inklusive magnetosomernes fremragende magnetisering er genetisk kodet i bakterierne.

"Ved at bruge denne genetiske strategi, vi omprogrammerede bakterierne til at producere magnetosomer, der lyser grønt, når de bestråles med UV-lys, og som samtidig viser nye biokatalytiske funktioner. Forskellige biokemiske funktioner kan installeres præcist på deres overflader. Derved, magnetosomer fra levende bakterier omdannes til multifunktionelle nanopartikler med fascinerende funktioner og egenskaber. I øvrigt, partiklerne forbliver fuldt funktionsdygtige, når de er isoleret fra bakterierne - hvilket nemt kan udføres ved at drage fordel af deres iboende magnetiske egenskaber, siger professor Dirk Schüler, der ledede forskerholdet.

Et genetisk værktøjssæt til anvendelser inden for biomedicin og bioteknologi

Funktionalisering af magnetosomerne er på ingen måde begrænset til de funktionelle grupper, der blev installeret på partikeloverfladen af ​​Bayreuth-mikrobiologerne. I stedet, disse proteiner kan nemt erstattes af andre funktioner, giver således en meget alsidig platform. Genetisk omprogrammering åbner derfor op for et bredt spektrum til at designe magnetosomoverfladen. Det giver grundlaget for et "genetisk værktøjssæt", der tillader produktion af skræddersyede magnetiske nanopartikler, kombinere forskellige nyttige funktioner og egenskaber. Hver af disse partikler er mellem tre og fem nanometer store.

"Vores genteknologiske tilgang er meget selektiv og præcis, sammenlignet med, for eksempel, kemiske koblingsteknikker, som ikke er så effektive og mangler denne høje grad af kontrol, " forklarer Bayreuth mikrobiolog Dr. Frank Mickoleit, undersøgelsens første forfatter. Han peger på en afgørende fordel ved de nye biomaterialer:"Tidligere undersøgelser viser, at de magnetiske nanopartikler sandsynligvis ikke er skadelige for cellekulturer. God biokompatibilitet er en vigtig forudsætning for den fremtidige anvendelse af partiklerne i biomedicin, og det er en vigtig forudsætning for den fremtidige anvendelse af partiklerne i biomedicinen. som kontrastmidler i magnetiske billeddannelsesteknikker eller som magnetiske sensorer i diagnostik. I fremtiden, for eksempel, lignende partikler kan hjælpe med at opdage og ødelægge tumorceller. Bioreaktorsystemer er et andet anvendelsesområde. Magnetiske nanopartikler udstyret med bittesmå katalysatorer ville være særdeles velegnede til dette formål og muliggøre komplekse biokemiske processer.

"Der er et enormt anvendelsespotentiale for nanopartikler, der viser forskellige funktionelle grupper på overfladen, især inden for områderne bioteknologi og biomedicin. De magnetiske bakterier kan nu tjene som en platform for et alsidigt nano-værktøjssæt, inspirerende videnskabelig kreativitet inden for syntetisk biologi. Det vil initiere yderligere interessante forskningstilgange, " tilføjer mikrobiolog Clarissa Lanzloth B.Sc., der var involveret i det nye studie som medforfatter under færdiggørelsen af ​​sit kandidatspeciale i biokemi og molekylærbiologi i Bayreuth.