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
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
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.