Magnetiska bakterier har extraordinära egenskaper tack vare de magnetiska nanopartiklarna, magnetosomerna, som är sammanlänkade inuti deras celler. Ett forskarlag vid University of Bayreuth har nu överfört alla de cirka 30 generna som är ansvariga för produktionen av dessa partiklar till icke-magnetiska bakterier i en bred serie experiment.
Detta resulterade i ett antal nya bakteriestammar som nu kan producera magnetosomer. Forskningsresultaten som presenteras i Nature Nanotechnology är banbrytande för generering av magnetiserade levande celler, som har stor potential för utveckling av innovativa diagnostiska och terapeutiska metoder inom biomedicin.
Baserat på omfattande studier identifierade forskarna initialt 25 arter av icke-magnetiska proteobakterier – den i särklass mest omfattande bakteriedomänen – som är särskilt lämpade för genöverföring och för att studera magnetosombildning. Både biokemiska egenskaper och tillgången på specifika gensekvenser var avgörande faktorer.
Magnetisering var framgångsrik i sju arter:dessa bakterier producerar kontinuerligt magnetosomer där järnhaltiga magnetitkristaller är sammankedjade på ett sätt som liknar det i donatorbakterien Magnetospirillum gryphiswaldense.
"När det gäller framtida tillämpningar inom biomedicin är det särskilt lovande att två arter av bakterier som vi framgångsrikt har genmanipulerat redan används i stor utsträckning inom bioteknik."
"Enligt det aktuella forskningsläget är de väl kompatibla med mänskliga celler. Detta öppnar upp nya perspektiv för en mängd olika biomedicinska tillämpningar - till exempel för mikrorobotkontrollerad transport av aktiva läkemedelsingredienser, för magnetisk avbildningsteknik, eller till och med för optimeringar av hypertermi cancerterapi", säger den första författaren till den nya studien, Dr. Marina Dziuba, som är forskarassistent vid forskargruppen Mikrobiologi i Bayreuth.
Bayreuth-forskarna har studerat magnetosomerna som produceras av de nya transgena bakteriestammarna mer i detalj och har på så sätt identifierat ett antal faktorer som kan vara orsaksmässigt involverade i magnetosombildning.
Jämförelse mellan genomet av dessa stammar och genomet hos de genetiskt modifierade bakterier som misslyckades med att producera magnetosomer har också lett till värdefulla insikter. Det finns mycket som tyder på att magnetosombildningen av transgena bakteriestammar är nära relaterad till deras förmåga att fotosyntetisera eller engagera sig i syreoberoende, så kallade anaeroba andningsprocesser.
Sammantaget visar den nya studien att det inte är enstaka eller några få speciella gener som transgena bakterier saknar när de är oförmögna till magnetosombildning. Snarare är den avgörande faktorn för att de ska syntetisera magnetosomer efter att ha fått de främmande genklustren en kombination av vissa metaboliska egenskaper och förmågan att effektivt använda den genetiska informationen från de främmande generna för att producera cellulära proteiner.
"Vår studie visar att ytterligare forskning behövs för att förstå biosyntesen av magnetosomer i detalj, identifiera barriärer för deras överföring och utveckla strategier för att övervinna dem. Samtidigt kastar dock våra resultat nytt ljus över metaboliska processer som stöder magnetosombildning. De ger därför ett ramverk för framtida undersökningar på vägen mot att designa nya stammar av biokompatibla magnetiska bakterier som är skräddarsydda för biomedicinska och biotekniska innovationer", förklarar prof. Dr. Dirk Schüler, ordförande för mikrobiologi vid University of Bayreuth.
I tidigare forskning hade Bayreuth-teamet redan lyckats introducera generna som ansvarar för magnetosombildning från bakterien Magnetospirillum gryphiswaldense - en modellorganism för forskning - i genomet hos icke-magnetiska bakterier. Men i endast ett fåtal fall resulterade denna genöverföring i genetiskt modifierade bakterier som i sin tur började bilda magnetosomer.
Det förblev helt oklart vilka faktorer som kan påverka om transgena bakterier producerade magnetosomer. Mot denna bakgrund ger den nu publicerade studien, där även en forskningspartner vid University of Pannonia i Veszprém/Ungern deltog, en viktig ny impuls för riktad magnetisering av levande celler.
Mer information: Dziuba, M.V., Müller, FD., Pósfai, M. et al. Utforska värdområdet för genetisk överföring av magnetisk organellbiosyntes. Nanoteknik i naturen (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01500-5 www.nature.com/articles/s41565-023-01500-5
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Bayreuth University
