Магнитогенетика - Magnetogenetics

Магнитогенетика удаленная активация клетки с помощью магнитные поля.

Магнитогенетика связана с оптогенетика, который представляет собой манипулирование поведением клеток с помощью света. Магнитогенетика вместо этого использует магнитные стимулы для манипулирования поведением клеток, что может быть менее инвазивным в чувствительных тканях, таких как нервная ткань, поскольку магнитогенетические методы не требуют инвазивной хирургии.[1] Эта область возникла из сочетания принципов, наблюдаемых в различных магнитотактические бактерии с оптогенетическими методами,[2] помогая исследователям управлять поведением клеток и экспрессией генов в присутствии магнитных полей. В организме есть несколько тканей, которые можно комбинировать с магнитными белками или магнитосомами бактерий, включая ткань мозга, опухоли и другие. Активация магнитных соединений может оказывать воздействие на организм посредством механических или тепловых воздействий.

Магнитотактические бактерии

Магнитотактические бактерии (MTB), которые используются для приложений магнитогенетики, обычно встречаются в водной среде и содержат уникальную органеллу, называемую магнитосома. Раньше считалось, что микробы расположены беспорядочно в окружающей среде, исследования показали, что магнетизм Земли и близлежащее магнитное поле могут влиять на местонахождение микробов.[3] Сейчас обнаружен значительный объем данных, которые могут коррелировать магнитные поля объектов и Земли, есть еще больше данных, необходимых для того, чтобы связать эту корреляцию с причинно-следственной связью.[3] Эта мембранная органелла содержит микроскопическую кристаллическую структуру магнитного минерала железа. Магнитосомы организованы в длинные цепочки, которые способствуют подвижной способности клеток выравниваться и плавать параллельно магнитным полям, известным как магнитотаксис[4]Эти ориентации, вызванные магнитосомами, могут иметь различные последствия для эукариотических клеток, в которых они обитают. В лабораторных условиях обычно используются две магнитотактные бактерии: Магнитоспириллы megneticum (АМБ-1) и Magnetosprillium gryphiswaldense (MSR-1) из-за простоты выращивания и способности продуцировать соединения, необходимые для образования кристаллической структуры. Чтобы сначала синтезировать магнитосомы, клетка инвагинирует свою внешнюю мембрану, чтобы создать везикулу и позволяет отсортировать магнитосомные белки в мембране везикул. Железо импортируется в магнитосомы в виде покрытых кристаллами структур, а магнитосомы объединяются в виде цепочки.[5]

Механизмы

Стимуляция мозга

В присутствии магнитного поля парамагнитные белки термически или механически открывают ионные каналы в нейроне, облегчая свободное движение совместимых ионов и активируя нейрон.

Магнитогенетические методы включают первое сплавление Рецепторы класса TRPV, которые являются селективными переносчиками кальция, с парамагнитный белок (обычно ферратин ).[6][7] Эти парамагнитные белки, которые обычно содержат железо или железосодержащие кофакторы, затем стимулируются магнитным полем, воздействующим на мозг. Следующие шаги в активации нейронов все еще неясны, но считается, что ионные каналы активируются и открываются либо механической силой со стороны парамагнитных белков, либо[2] или нагреванием этих белков в ответ на стимуляцию магнитным полем.

Рак

Магнитосомы могут поглощаться определенными эукариотическими клетками, и это позволяет управлять эукариотическими клетками определенными способами. Одно такое приложение использует магнитно-резонансная томография (МРТ). Парамагнитные частицы, содержащиеся в магнитосомах этих бактерий, могут быть использованы как положительные или отрицательные контрастные вещества.[8] Было обнаружено, что магнитотактические бактерии преимущественно поглощаются опухолевыми клетками, что позволяет визуализировать эти опухоли на МРТ.[9]

Магнитная гипертермия - еще одно возможное применение магнитосом, продуцируемых этими бактериями. Гипертермическая терапия это современный клинический метод лечения рака; однако магнитная гипертермия может предложить более специфическое целевое лечение рака.[9]

Рекомендации

  1. ^ Nimpf S, Keays DA (июнь 2017 г.). "Является ли магнитогенетика новой оптогенетикой?". Журнал EMBO. 36 (12): 1643–1646. Дои:10.15252 / embj.201797177. ЧВК  5470037. PMID  28536151.
  2. ^ а б Фогт Н (2016-10-31). «Биофизика: разгадывание магнитогенетики». Методы природы. 13: 900–901. Дои:10.1038 / nmeth.4060. ISSN  1548-7105. S2CID  42693855.
  3. ^ а б Линь, Вэй; Базилински, Деннис А .; Сяо, Тянь; У, Лун-Фэй; Пан, Юнсинь (2014). «Жизнь с компасом: разнообразие и биогеография магнитотактических бактерий». Экологическая микробиология. 16 (9): 2646–2658. Дои:10.1111/1462-2920.12313. ISSN  1462-2920. PMID  24148107.
  4. ^ Лефевр CT, Базилинский Д.А. (сентябрь 2013 г.). «Экология, разнообразие и эволюция магнитотактических бактерий». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 77 (3): 497–526. Дои:10.1128 / MMBR.00021-13. ЧВК  3811606. PMID  24006473.
  5. ^ Уэбе Р., Шюлер Д. (сентябрь 2016 г.). «Биогенез магнитосом у магнитотактических бактерий». Обзоры природы. Микробиология. 14 (10): 621–37. Дои:10.1038 / nrmicro.2016.99. PMID  27620945. S2CID  21346177.
  6. ^ Лонг X, Е Дж, Чжао Д., Чжан С.Дж. (2015). «Магнитогенетика: дистанционная неинвазивная магнитная активация нейрональной активности с помощью магниторецептора». Научный бюллетень. 60 (24): 2107–2119. Bibcode:2015SciBu..60.2107L. Дои:10.1007 / s11434-015-0902-0. ЧВК  4692962. PMID  26740890.
  7. ^ Уилер М.А., Смит С.Дж., Оттолини М., Баркер Б.С., Пурохит А.М., Гриппо Р.М., Гайкема Р.П., Спано А.Дж., Бенхаккер М.П., ​​Куценас С., Патель М.К., Деппманн С.Д., Гюлер А.Д. (май 2016 г.). «Генетически направленный магнитный контроль нервной системы». Природа Неврология. 19 (5): 756–761. Дои:10.1038 / номер 4265. ЧВК  4846560. PMID  26950006.
  8. ^ Alphandéry E (2014). «Применение магнитосом, синтезированных магнитотактическими бактериями, в медицине». Границы биоинженерии и биотехнологии. 2: 5. Дои:10.3389 / fbioe.2014.00005. ЧВК  4126476. PMID  25152880.
  9. ^ а б Бенуа М.Р., Майер Д., Барак И., Чен И.Ю., Ху В., Ченг З., Ван С.Х., Спилман Д.М., Гамбхир С.С., Матин А. (август 2009 г.). «Визуализация имплантированных опухолей у мышей с помощью магнитно-резонансной томографии с использованием магнитотаксических бактерий». Клинические исследования рака. 15 (16): 5170–7. Дои:10.1158 / 1078-0432.CCR-08-3206. ЧВК  3409839. PMID  19671860.