Magnetotaktische Bakterien (MTB) sind phylogenetisch und morphologisch unterschiedliche Prokaryoten, die die angestammte Fähigkeit teilen, intrazelluläre Magnetit (Fe3O4)- oder/und Greigit (Fe3S4)-Nanokristalle innerhalb von Organellen, den sogenannten Magnetosomen, zu produzieren.
Magnetosomen sind oft in einer Kette oder mehreren Ketten organisiert. Sowohl die Morphologie von Magnetosomenkristallen als auch der Gehalt an Magnetosomengenen variieren zwischen taxonomischen Gruppen oder sogar Arten/Stämmen.
Die meisten Fortschritte beim systematischen Verständnis der Magnetosomenbildung beruhen jedoch auf zwei genetisch lenkbaren Stämmen AMB-1 und MSR-1, die der Gattung Magnetospirillum des Pseudomonadota-Stammes angehören.
Beide Stämme bilden kuboktaedrische Magnetitpartikel, die in einer einzigen Kette organisiert sind. In Anbetracht der phylogenetischen Vielfalt unkultivierter MTB und ihrer unterschiedlichen magnetischen Kristallmorphologien und Kettenanordnungen fehlt noch ein allgemeines Modell für Gennetzwerke, die die Biogenese und Kettenanordnung von Magnetpartikeln kontrollieren oder regulieren, und weil ein solches Modell unmöglich aus einer kleinen Anzahl bestimmt werden kann von kultivierten MTB-Stämmen allein.
In einer Studie veröffentlicht in National Science Reviewstellen Prof. Li Jinhua und seine Gruppe zum ersten Mal einen Arbeitsablauf für die vergleichende genomische und phänomenale Analyse von kultivierten und unkultivierten MTB vor, um die Rolle von Gennetzwerken bei der Bestimmung ihrer Kristallmorphologie und Kettenanordnung zu bewerten.
Sie erwarben 15 neue Datensätze, von denen jeder einem unkultivierten MTB-Stamm entspricht und entsprechende genomische und magnetosomenmorphologische Informationen enthält. Zusammen mit 32 anderen aus zuvor berichteten und gut charakterisierten kultivierten und unkultivierten MTB-Stämmen stellen sie die größte verfügbare Genomik-Magnetosomen-Assoziationsdatenbank dar.
Die Forscher veranschaulichten dann im Detail das Vorhandensein/Fehlen und die Organisation vieler Magnetosomen-Gene in 47 MTB-Stämmen in verschiedenen taxonomischen MTB-Gruppen und zeigten das Vorhandensein von Core-Magnetosomen-Genen und stammspezifischen Magnetosomen-Genen im MTB-System.
Sie präsentieren auch bioinformatische Analysen zur Identifizierung potenzieller Gene im Zusammenhang mit der Magnetosom-Biomineralisation und fanden heraus, dass einige zuvor ignorierte Gene (dh mad24, man1 und man5) eine Rolle bei der morphologischen Kontrolle von kugelförmigem Magnetit und der Anordnung von Magnetosom-Kettenbündeln spielen könnten. Basierend auf diesen Erkenntnissen schlagen sie vorläufig ein allgemeines Modell für die Gennetzwerke vor, die die Magnetosomen-Biomineralisation kontrollieren/regulieren.
„Diese neuen Ergebnisse erweitern unser Wissen über die genetische Grundlage der Magnetosomen-Biomineralisation erheblich. Sie werfen auch ein Licht auf molekulare Mechanismen im Zusammenhang mit der Kristallmorphologie und dem Kettenaufbau von Magnetosomen in verschiedenen taxonomischen MTB-Gruppen, was aus früheren Studien weitgehend unbekannt ist“, sagt Jinhua Li .
„Darüber hinaus liefert es genetische Beweise für die stammspezifische Morphologie von Magnetosom-Magnetit, und die magnetofossile Kristallmorphologie aus den alten geologischen Aufzeichnungen kann daher ein zuverlässiger Proxy für die taxonomische Abstammung der alten MTB und ihre Paläoökologie sein“, sagt Yongxin Pan.
Obwohl das allgemeine Modell unvollständig bleibt, liefert es neue Einblicke in die Magnetosom-Genfunktion und den Kettenaufbau, insbesondere für MTB, anders als magnetotaktisches Magnetospirillum. Mit diesem Gennetzwerk könnte in Zukunft die ortsgerichtete In-vivo-Mutagenese von kultivierten Stämmen oder die heterologe Magnetosomen-Genexpression genutzt werden, um die molekularen Mechanismen der Biogenese und des Kettenaufbaus von prismatischem und kugelförmigem Magnetit besser zu verstehen.
Außerdem können mehrere Proteine (z. B. Man1 und Mad2) relevante Ziele für die biomimetische Synthese von stark verlängerten Magnetit-Nanopartikeln bereitstellen. Aufgrund ihrer signifikanten Formanisotropie haben solche Nanopartikel eine höhere magnetische Koerzitivkraft als kugelförmige oder kuboktaedrische, was sie für Anwendungen in der Nanomedizin und Nanotechnologie geeignet machen könnte.
Mehr Informationen:
Peiyu Liu et al, Schlüsselgennetzwerke, die die Magnetosom-Biomineralisation in magnetotaktischen Bakterien kontrollieren, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac238