Magnetiska bakterier kan snart användas för produktion av nya biomaterial. Ett team av mikrobiologer vid University of Bayreuth under ledning av professor Dr. Dirk Schüler utvecklade ett modulsystem för genetisk omprogrammering av bakterier, och därigenom förvandla organismerna till cellfabriker för multifunktionella magnetiska nanopartiklar som kombinerar olika användbara funktioner och egenskaper. På grund av deras exceptionella magnetiska egenskaper och goda biokompatibilitet, dessa nanopartiklar kan vara ett lovande nytt material inom det biomedicinska och biotekniska området. I journalen Små forskarna presenterade sina fynd.

Från magnetosomer till mångsidiga nanopartiklar

Magnetiska bakterier av arten Magnetospirillum gryphiswaldense anpassar sitt simmande beteende längs jordens magnetfält. Inom cellerna, magnetiska nanopartiklar, magnetosomerna, är arrangerade på ett kedjeliknande sätt, därigenom bildas en intracellulär kompassnål. Varje magnetosom består av en magnetisk järnoxidkärna omgiven av ett membran. Förutom lipider, detta membran innehåller också en mängd olika proteiner. Mikrobiologerna vid University of Bayreuth har nu lyckats koppla ihop biokemiskt aktiva funktionella grupper, som härrör från olika främmande organismer, till dessa proteiner. Metoden som används här börjar vid det stadium av generna som är ansvariga för biosyntesen av membranproteinerna. Dessa bakteriegener är fusionerade med främmande gener från andra organismer som styr produktionen av respektive funktionella proteiner. Så snart generna integreras igen i genomet, de omprogrammerade bakterierna producerar magnetosomer som visar dessa främmande proteiner permanent installerade på partikelytan.

I studien, fyra olika funktionella grupper (dvs. främmande proteiner) kopplades till membranproteinerna. Dessa inkluderar enzymet glukosoxidas från en mögelsvamp, som redan används bioteknologiskt, till exempel som en "sockersensor" vid diabetessjukdomar. Dessutom, ett grönt fluorescerande protein från en manet och ett färgämnesproducerande enzym från bakterien Escherichia coli, vars aktivitet lätt kan mätas, installerades på magnetosomernas yta. Den fjärde funktionella gruppen är ett antikroppsfragment från en lama (Alpaca) som användes som en mångsidig koppling. Således, alla dessa egenskaper inklusive den fantastiska magnetiseringen av magnetosomerna är genetiskt kodade i bakterierna.

"Med hjälp av denna genetiska strategi, vi programmerade om bakterierna för att producera magnetosomer som lyser grönt när de bestrålas med UV -ljus och samtidigt visar nya biokatalytiska funktioner. Olika biokemiska funktioner kan installeras exakt på deras ytor. Vari, magnetosomer från levande bakterier omvandlas till multifunktionella nanopartiklar med fascinerande funktioner och egenskaper. Dessutom, partiklarna förblir fullt fungerande när de isoleras från bakterierna - som enkelt kan utföras genom att dra fördel av deras inneboende magnetiska egenskaper, "säger professor Dirk Schüler, som ledde forskargruppen.

En genetisk verktygslåda för tillämpningar inom biomedicin och bioteknik

Funktionalisering av magnetosomerna är inte på något sätt begränsad till de funktionella grupper som installerades på partikelytan av Bayreuth -mikrobiologerna. Istället, dessa proteiner kan enkelt ersättas av andra funktioner, vilket ger en mycket mångsidig plattform. Genetisk omprogrammering öppnar därför upp ett brett spektrum för att utforma magnetosomytan. Den utgör grunden för en "genetisk verktygslåda" som tillåter produktion av skräddarsydda magnetiska nanopartiklar, kombinerar olika användbara funktioner och egenskaper. Var och en av dessa partiklar är mellan tre och fem nanometer stora.

"Vår genteknikmetod är mycket selektiv och exakt, jämfört med, till exempel, kemiska kopplingstekniker som inte är lika effektiva och saknar denna höga grad av kontroll, "förklarar Bayreuth -mikrobiologen Dr. Frank Mickoleit, studiens första författare. Han pekar på en avgörande fördel med de nya biomaterialen:"Tidigare studier visar att de magnetiska nanopartiklarna sannolikt inte är skadliga för cellkulturer. God biokompatibilitet är en viktig förutsättning för framtida applicering av partiklarna i biomedicin, till exempel som kontrastmedel i magnetiska bildtekniker eller som magnetiska sensorer inom diagnostik. I framtiden, till exempel, liknande partiklar kan hjälpa till att upptäcka och förstöra tumörceller. Bioreaktorsystem är ett annat användningsområde. Magnetiska nanopartiklar utrustade med små katalysatorer skulle vara mycket lämpliga för detta ändamål och möjliggöra komplexa biokemiska processer.

"Det finns en enorm applikationspotential för nanopartiklar som visar olika funktionella grupper på ytan, särskilt inom områdena bioteknik och biomedicin. De magnetiska bakterierna kan nu fungera som en plattform för en mångsidig nano-verktygssats, inspirerande vetenskaplig kreativitet inom syntetisk biologi. Det kommer att initiera ytterligare intressanta forskningsmetoder, "tillägger mikrobiologen Clarissa Lanzloth B.Sc., som var inblandad i den nya studien som medförfattare under genomförandet av sin magisteruppsats i biokemi och molekylärbiologi i Bayreuth.