Magnetische bacteriën beschikken over buitengewone capaciteiten dankzij de magnetische nanodeeltjes, de magnetosomen, die in hun cellen aaneengeschakeld zijn. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Bayreuth heeft nu in een brede reeks experimenten alle ongeveer dertig genen die verantwoordelijk zijn voor de productie van deze deeltjes overgebracht naar niet-magnetische bacteriën.

Dit resulteerde in een aantal nieuwe bacteriestammen die nu magnetosomen kunnen produceren. De onderzoeksresultaten gepresenteerd in Nature Nanotechnology zijn baanbrekend voor het genereren van gemagnetiseerde levende cellen, die een groot potentieel hebben voor de ontwikkeling van innovatieve diagnostische en therapeutische methoden in de biogeneeskunde.

Op basis van uitgebreide onderzoeken identificeerden de onderzoekers aanvankelijk 25 soorten niet-magnetische proteobacteriën – veruit het meest uitgebreide domein van bacteriën – die bijzonder geschikt zijn voor genoverdracht en voor het bestuderen van magnetosoomvorming. Zowel biochemische eigenschappen als de beschikbaarheid van specifieke gensequenties waren doorslaggevende factoren.

Magnetisatie was succesvol bij zeven soorten:deze bacteriën produceren continu magnetosomen waarin ijzerhoudende magnetietkristallen aan elkaar zijn geketend op een manier vergelijkbaar met die in de donorbacterie Magnetospirillum gryphiswaldense.

"In termen van toekomstige toepassingen in de biogeneeskunde is het bijzonder veelbelovend dat twee soorten bacteriën die we met succes genetisch gemanipuleerd hebben, al op grote schaal worden gebruikt in de biotechnologie."

“Volgens de huidige stand van onderzoek zijn ze goed compatibel met menselijke cellen. Dit opent nieuwe perspectieven voor een verscheidenheid aan biomedische toepassingen – bijvoorbeeld voor microrobotgestuurd transport van actieve farmaceutische ingrediënten, voor magnetische beeldvormingstechnieken, of zelfs voor optimalisaties van hyperthermie-kankertherapie", zegt de eerste auteur van de nieuwe studie, Dr. Marina Dziuba, onderzoeksmedewerker bij de onderzoeksgroep Microbiologie in Bayreuth.

De Bayreuth-onderzoekers hebben de magnetosomen geproduceerd door de nieuwe transgene bacteriestammen gedetailleerder bestudeerd en zo een aantal factoren geïdentificeerd die causaal betrokken zouden kunnen zijn bij de vorming van magnetosomen.

Vergelijking tussen het genoom van deze stammen en het genoom van de genetisch gemodificeerde bacteriën die er niet in slaagden magnetosomen te produceren, heeft ook tot waardevolle inzichten geleid. Er is veel bewijs dat suggereert dat de magnetosoomvorming van transgene bacteriestammen nauw verband houdt met hun vermogen tot fotosynthese of tot het deelnemen aan zuurstofonafhankelijke, zogenaamde anaërobe ademhalingsprocessen.

Over het geheel genomen laat de nieuwe studie zien dat transgene bacteriën niet één of een paar specifieke genen missen als ze niet in staat zijn tot magnetosoomvorming. De doorslaggevende factor voor het synthetiseren van magnetosomen na ontvangst van de vreemde genclusters is eerder een combinatie van bepaalde metabolische eigenschappen en het vermogen om de genetische informatie van de vreemde genen efficiënt te gebruiken om cellulaire eiwitten te produceren.

"Onze studie laat zien dat verder onderzoek nodig is om de biosynthese van magnetosomen in detail te begrijpen, barrières voor hun overdracht te identificeren en strategieën te ontwikkelen om deze te overwinnen. Tegelijkertijd werpen onze resultaten echter een nieuw licht op metabolische processen die de vorming van magnetosomen ondersteunen." Ze bieden daarom een ​​raamwerk voor toekomstig onderzoek naar het ontwerpen van nieuwe stammen van biocompatibele magnetische bacteriën, op maat gemaakt voor biomedische en biotechnologische innovaties”, legt prof. dr. Dirk Schüler, voorzitter van de afdeling Microbiologie aan de Universiteit van Bayreuth uit.

In eerder onderzoek was het team van Bayreuth er al in geslaagd de genen die verantwoordelijk zijn voor magnetosoomvorming uit de bacterie Magnetospirillum gryphiswaldense – een modelorganisme voor onderzoek – in het genoom van niet-magnetische bacteriën te introduceren. In slechts enkele gevallen resulteerde deze genoverdracht echter in genetisch gemodificeerde bacteriën die op hun beurt magnetosomen begonnen te vormen.

Het bleef volkomen onduidelijk welke factoren van invloed zouden kunnen zijn op de vraag of transgene bacteriën magnetosomen produceerden. Tegen deze achtergrond biedt de nu gepubliceerde studie, waaraan ook een onderzoekspartner van de Universiteit van Pannonia in Veszprém/Hongarije deelnam, een belangrijke nieuwe impuls voor de gerichte magnetisatie van levende cellen.

Meer informatie: Dziuba, MV, Müller, FD., Pósfai, M. et al. Onderzoek naar het gastheerbereik voor genetische overdracht van de biosynthese van magnetische organellen. Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01500-5 www.nature.com/articles/s41565-023-01500-5

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door de Universiteit van Bayreuth