Magnetogenetika - Magnetogenetics - Wikipedia

Magnetogenetika je vzdálená aktivace buňky použitím magnetické pole.

Magnetogenetika souvisí s optogenetika, což je manipulace chování buněk pomocí světla. Magnetogenetika místo toho používá magnetické podněty k manipulaci s chováním buněk, které mohou být méně invazivní v citlivých tkáních, jako je nervová tkáň, protože magnetogenetické metody nevyžadují invazivní chirurgii.[1] Toto pole se vyvinulo z kombinace principů pozorovaných v různých magnetotaktické bakterie s optogenetickými technikami,[2] pomáhá vědcům manipulovat s chováním buněk a genovou expresí v přítomnosti magnetických polí. V těle existuje více tkání, které lze kombinovat s magnetickými proteiny nebo s magnetosomy z bakterií, včetně mozkové tkáně, nádorů a dalších. Aktivace magnetických sloučenin může způsobit účinky na organismus prostřednictvím mechanických nebo tepelných účinků.

Magnetotaktické bakterie

Magnetotaktické bakterie (MTB), které se používají pro aplikace magnetogenetiky, se obvykle nacházejí ve vodním prostředí a jedinečně obsahují organelu zvanou magnetosom. O mikrobech se dříve myslelo, že jsou náhodně rozmístěny po celém prostředí, výzkum však ukázal, že magnetismus Země a blízké magnetické pole může ovlivnit umístění mikrobů.[3] Nyní je nalezeno značné množství dat, které mohou korelovat magnetická pole objektů a Země, je stále zapotřebí více dat, aby byla tato korelace spojena s příčinnou souvislostí.[3] Tato membránová organela obsahuje mikroskopickou krystalickou strukturu magnetického minerálu železa. Magnetosomy jsou organizovány v dlouhých řetězcích, které pomáhají pohyblivé schopnosti buněk vyrovnat se a plavat paralelně s magnetickými poli, známými jako magnetotaxe[4]Tyto orientace způsobené magnetosomem mohou mít různé důsledky pro eukaryotické buňky, které obývají. V laboratoři se běžně používají dvě magnetotaktické bakterie Magnetospirillum megneticum (AMB-1) a Magnetosprillium gryphiswaldense (MSR-1) díky jejich snadné kultivaci a schopnosti produkovat sloučeniny nezbytné pro tvorbu krystalické struktury. K syntéze magnetosomů nejprve buňka invaginuje svou vnější membránu, aby vytvořila vezikulu, a umožňuje třídění proteinů magnetosomu do membrány vezikul. Železo se dováží do magnetosomu jako krystalicky potažené struktury a magnetosomy se agregují jako řetěz[5]

Mechanismy

Stimulace mozku

V přítomnosti magnetického pole paramagnetické proteiny buď tepelně nebo mechanicky otevírají iontové kanály v neuronu, což usnadňuje volný pohyb kompatibilních iontů a aktivuje neuron.

Magnetogenetické techniky zahrnují první fúzi Receptory třídy TRPV, což jsou selektivní transportéry vápníku, s a paramagnetické protein (obvykle ferratin ).[6][7] Tyto paramagnetické proteiny, které obvykle obsahují železo nebo mají kofaktory obsahující železo, jsou poté stimulovány magnetickým polem vyvíjeným na mozek. Další kroky v aktivaci neuronů jsou stále nejasné, předpokládá se však, že iontové kanály jsou aktivovány a otevřeny buď mechanickou silou vyvíjenou paramagnetickými proteiny,[2] nebo zahřátím těchto proteinů v reakci na stimulaci magnetickým polem.

Rakovina

Magnetosomy mohou být pohlceny určitými eukaryotickými buňkami, což umožňuje manipulaci s eukaryotickými buňkami specifickými způsoby. Jedna taková aplikace se používá magnetická rezonance (MRI). Paramagnetické částice obsažené v magnetosomech v těchto bakteriích mohou být použity pro pozitivní nebo negativní kontrastní látky.[8] Bylo zjištěno, že magnetotaktické bakterie jsou přednostně přijímány nádorovými buňkami, což umožňuje zobrazování těchto nádorů pomocí MRI.[9]

Magnetická hypertermie je další potenciální aplikací magnetosomů produkovaných těmito bakteriemi. Hypertermická terapie je současná klinická technika používaná k léčbě rakoviny; magnetická hypertermie by však mohla nabídnout konkrétnější cílenou léčbu rakoviny.[9]

Reference

  1. ^ Nimpf S, Keays DA (červen 2017). „Je magnetogenetika novou optogenetikou?“. Časopis EMBO. 36 (12): 1643–1646. doi:10.15252 / embj.201797177. PMC  5470037. PMID  28536151.
  2. ^ A b Vogt N (2016-10-31). „Biofyzika: Odhalování magnetogenetiky“. Přírodní metody. 13: 900–901. doi:10,1038 / nmeth.4060. ISSN  1548-7105. S2CID  42693855.
  3. ^ A b Lin, Wei; Bazylinski, Dennis A .; Xiao, Tian; Wu, Long-Fei; Pan, Yongxin (2014). „Život s kompasem: rozmanitost a biogeografie magnetotaktických bakterií“. Mikrobiologie prostředí. 16 (9): 2646–2658. doi:10.1111/1462-2920.12313. ISSN  1462-2920. PMID  24148107.
  4. ^ Lefèvre CT, Bazylinski DA (září 2013). „Ekologie, rozmanitost a vývoj magnetotaktických bakterií“. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 77 (3): 497–526. doi:10.1128 / MMBR.00021-13. PMC  3811606. PMID  24006473.
  5. ^ Uebe R, Schüler D (září 2016). "Biogeneze magnetosomů v magnetotaktických bakteriích". Recenze přírody. Mikrobiologie. 14 (10): 621–37. doi:10.1038 / nrmicro.2016.99. PMID  27620945. S2CID  21346177.
  6. ^ Long X, Ye J, Zhao D, Zhang SJ (2015). „Magnetogenetika: vzdálená neinvazivní magnetická aktivace neuronální aktivity pomocí magnetoreceptoru“. Vědecký bulletin. 60 (24): 2107–2119. Bibcode:2015SciBu..60.2107L. doi:10.1007 / s11434-015-0902-0. PMC  4692962. PMID  26740890.
  7. ^ Wheeler MA, Smith CJ, Ottolini M, Barker BS, Purohit AM, Grippo RM, Gaykema RP, Spano AJ, Beenhakker MP, Kucenas S, Patel MK, Deppmann CD, Güler AD (květen 2016). „Geneticky cílené magnetické ovládání nervového systému“. Přírodní neurovědy. 19 (5): 756–761. doi:10.1038 / č. 4265. PMC  4846560. PMID  26950006.
  8. ^ Alphandéry E (2014). "Aplikace magnetosomů syntetizovaných magnetotaktickými bakteriemi v medicíně". Hranice v bioinženýrství a biotechnologii. 2: 5. doi:10.3389 / fbioe.2014.00005. PMC  4126476. PMID  25152880.
  9. ^ A b Benoit MR, Mayer D, Barak Y, Chen IY, Hu W, Cheng Z, Wang SX, Spielman DM, Gambhir SS, Matin A (srpen 2009). „Vizualizace implantovaných nádorů u myší pomocí magnetické rezonance pomocí magnetotaktických bakterií“. Klinický výzkum rakoviny. 15 (16): 5170–7. doi:10.1158 / 1078-0432.CCR-08-3206. PMC  3409839. PMID  19671860.