Исследование ключевых генетических сетей, контролирующих биоминерализацию магнетита у прокариот

Магнитотактические бактерии (МТБ) — филогенетически и морфологически разнообразные прокариоты, обладающие древней способностью производить внутриклеточные нанокристаллы магнетита (Fe₃O₄) и/или грейгита (Fe₃S₄) внутри органелл, называемых магнетосомами.

Магнетосомы часто организованы в одну или несколько цепочек. Морфология кристаллов магнетосом и состав магнетосомных генов варьируются среди таксономических групп или даже видов/штаммов.

Однако большая часть прогресса в систематическом понимании формирования магнетосом основана на двух генетически управляемых штаммах AMB-1 и MSR-1, относящихся к роду Magnetospirillum типа Pseudomonadota. Оба штамма образуют кубооктаэдрические частицы магнетита, организованные в единую цепочку.

Учитывая филогенетическое разнообразие некультивируемых МТБ и их разнообразные морфологии магнитных кристаллов и сборки цепочек, общей модели генетических сетей, контролирующих или регулирующих биогенез магнитных частиц и сборку цепочек, до сих пор не хватает. Такая модель невозможна на основе лишь небольшого числа культивируемых штаммов МТБ.

В исследовании, опубликованном в National Science Review, группа профессора Ли Цзиньхуа впервые представляет рабочий процесс для сравнительного геномного и феномного анализа культивируемых и некультивируемых МТБ для оценки роли генетических сетей в определении морфологии их кристаллов и сборки цепочек.

Они получили 15 новых наборов данных, каждый из которых соответствует некультивируемому штамму МТБ и содержит соответствующую геномную информацию и информацию о морфологии магнетосом. В сочетании с 32 другими наборами от ранее описанных и хорошо охарактеризованных культивируемых и некультивируемых штаммов МТБ, они представляют крупнейшую доступную базу данных ассоциаций «геномика-магнетосома».

Исследователи подробно проиллюстрировали наличие/отсутствие и организацию многих магнетосомных генов у 47 штаммов МТБ из разных таксономических групп и продемонстрировали наличие основных магнетосомных генов и специфичных для типа магнетосомных генов в системе МТБ.

С помощью биоинформатического анализа они также выявили потенциальные гены, связанные с биоминерализацией магнетосом, и обнаружили, что некоторые ранее игнорируемые гены (например, mad24, man1 и man5) могут играть роль в морфологическом контроле пулевидного магнетита и сборке пучков магнетосомных цепочек. На основе этих данных они предварительно предлагают общую модель генетических сетей, контролирующих/регулирующих биоминерализацию магнетосом.

«Эти новые результаты значительно расширяют наши знания о генетической основе биоминерализации магнетосом. Они также проливают свет на молекулярные механизмы, связанные с морфологией кристаллов и сборкой цепочек магнетосом в разных таксономических группах МТБ, что в значительной степени было неизвестно из предыдущих исследований», — говорит Цзиньхуа Ли.

«Более того, это предоставляет генетические доказательства специфичной для типа морфологии магнетита магнетосом. Следовательно, морфология кристаллов магнетофоссилий из древней геологической летописи может быть надежным индикатором таксономической линии древних МТБ и их палеоэкологии», — говорит Юнсинь Пан.

Хотя общая модель остается неполной, она дает новое представление о функции магнетосомных генов и сборке цепочек, особенно для МТБ, отличных от магнитотактических Magnetospirillum. С помощью этой генетической сети, направленный мутагенез in vivo культивируемых штаммов или гетерологичная экспрессия магнетосомных генов могут быть использованы в будущем для лучшего понимания молекулярных механизмов биогенеза и сборки цепочек призматического и пулевидного магнетита.

Кроме того, несколько белков (например, Man1 и Mad2) могут стать подходящими мишенями для биомиметического синтеза сильно вытянутых наночастиц магнетита. Благодаря своей значительной анизотропии формы, такие наночастицы обладают более высокой коэрцитивной силой, чем сферические или кубооктаэдрические, что может сделать их пригодными для применения в наномедицине и нанотехнологиях.