Ny undersøgelse om genetisk magnetisering af levende bakterier viser et stort potentiale for biomedicin

Magnetiske bakterier besidder ekstraordinære egenskaber på grund af de magnetiske nanopartikler, magnetosomerne, som er sammenkædet inde i deres celler. Et forskerhold ved University of Bayreuth har nu overført alle de omkring 30 gener, der er ansvarlige for produktionen af ​​disse partikler, til ikke-magnetiske bakterier i en bred række af eksperimenter.

Dette resulterede i en række nye bakteriestammer, der nu er i stand til at producere magnetosomer. Forskningsresultaterne præsenteret i Nature Nanotechnology er banebrydende for generering af magnetiserede levende celler, som har et stort potentiale for udvikling af innovative diagnostiske og terapeutiske metoder inden for biomedicin.

Baseret på omfattende undersøgelser identificerede forskerne oprindeligt 25 arter af ikke-magnetiske proteobakterier - langt det mest omfattende domæne af bakterier - som er særligt velegnede til genoverførsel og til at studere magnetosomdannelse. Både biokemiske egenskaber og tilgængeligheden af ​​specifikke gensekvenser var afgørende faktorer.

Magnetisering var vellykket i syv arter:disse bakterier producerer kontinuerligt magnetosomer, hvori jernholdige magnetitkrystaller er kædet sammen på en måde svarende til donorbakterien Magnetospirillum gryphiswaldense.

"Med hensyn til fremtidige anvendelser inden for biomedicin er det særligt lovende, at to arter af bakterier, som vi med succes har genmanipuleret, allerede er meget udbredt i bioteknologi."

"Ifølge den nuværende forskningsstatus er de godt kompatible med menneskelige celler. Dette åbner op for nye perspektiver for en række biomedicinske anvendelser - for eksempel til mikrorobotstyret transport af aktive farmaceutiske ingredienser, til magnetiske billeddannelsesteknikker eller endda til optimeringer af hypertermi cancerterapi," siger førsteforfatteren til det nye studie, Dr. Marina Dziuba, som er forskningsmedarbejder ved forskergruppen Mikrobiologi i Bayreuth.

Bayreuth-forskerne har undersøgt magnetosomerne produceret af de nye transgene bakteriestammer mere detaljeret og dermed identificeret en række faktorer, der kan være årsagsmæssigt involveret i magnetosomdannelse.

Sammenligning mellem genomet af disse stammer og genomet af de genetisk modificerede bakterier, der ikke kunne producere magnetosomer, har også ført til værdifuld indsigt. Der er meget, der tyder på, at magnetosomdannelsen af ​​transgene bakteriestammer er tæt forbundet med deres evne til at fotosyntetisere eller deltage i ilt-uafhængige, såkaldte anaerobe respirationsprocesser.

Samlet set viser den nye undersøgelse, at det ikke er enkelte eller nogle få bestemte gener, som transgene bakterier mangler, når de er ude af stand til magnetosomdannelse. Den afgørende faktor for dem til at syntetisere magnetosomer efter at have modtaget de fremmede genklynger er snarere en kombination af visse metaboliske egenskaber og evnen til effektivt at bruge den genetiske information fra de fremmede gener til at producere cellulære proteiner.

"Vores undersøgelse viser, at der er behov for yderligere forskning for at forstå biosyntesen af ​​magnetosomer i detaljer, identificere barrierer for deres overførsel og udvikle strategier til at overvinde dem. Samtidig kaster vores resultater imidlertid nyt lys over metaboliske processer, der understøtter magnetosomdannelse. De giver derfor en ramme for fremtidige undersøgelser på vejen til at designe nye stammer af biokompatible magnetiske bakterier, der er skræddersyet til biomedicinske og bioteknologiske innovationer," forklarer prof. Dr. Dirk Schüler, formand for mikrobiologi ved University of Bayreuth.

I tidligere forskning havde Bayreuth-holdet allerede haft held med at introducere generne, der er ansvarlige for magnetosomdannelse fra bakterien Magnetospirillum gryphiswaldense - en modelorganisme til forskning - i genomet af ikke-magnetiske bakterier. Men i kun få tilfælde resulterede denne genoverførsel i genetisk modificerede bakterier, som igen begyndte at danne magnetosomer.

Det forblev fuldstændig uklart, hvilke faktorer der kunne påvirke, om transgene bakterier producerede magnetosomer. På den baggrund giver det nu offentliggjorte studie, hvor en forskningspartner ved University of Pannonia i Veszprém/Ungarn også deltog, et vigtigt nyt skub til målrettet magnetisering af levende celler.

Flere oplysninger: Dziuba, M.V., Müller, FD., Pósfai, M. et al. Udforskning af værtsområdet for genetisk overførsel af magnetisk organelbiosyntese. Naturenanoteknologi (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01500-5 www.nature.com/articles/s41565-023-01500-5

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Bayreuth University