Птица скользит по небу, то опускаясь, то взмывая в облака. В прозрачном небе, лишенном устойчивых ориентиров, птица полагается на магнитное поле Земли, чтобы ориентироваться в окружающем пространстве.
Во время полёта птица пролетает над озером. Там, под рябью воды, группа бактерий синхронно устремляется к поверхности озера — а затем, резко изменив направление, снова устремляется вниз. Глядя на это скоординированное движение, можно подумать, что, как и в случае с птицей, здесь в игру вступает что-то магнитное. И вы будете правы. Многие организмы ориентируются, улавливая защитное магнитное поле, окутывающее планету. Птицы, рыбы, муравьи — все они обладают магнитным чувством. Но бактерии ориентировались по магнитному полю Земли задолго до появления этих форм жизни. Происходя из различных ветвей микробиологического «древа жизни» так называемые магнитотактические бактерии (МТБ) на протяжении веков обитали в пресноводных и морских средах по всему миру — в некоторых местах составляя более 30% микробиома.
Общая черта этого разнообразия МТБ также лежит в основе их названия, вдохновленного магнетизмом. МТБ содержат цепочки крошечных кристаллов, заключенных в мембрану и состоящих из соединений железа. Эти органеллы, известные как магнетосомы, помогают МТБ пассивно ориентироваться по магнитному полю Земли и перемещаться вдоль него. В то время как другие формы микробной навигации, такие как хемотаксис, являются многонаправленными, движение, определяемое магнетосомами (магнитотаксис), в основном представляет собой движение вверх и вниз. «Это может показаться чем-то бессмысленным и [таким, что] не имеет никакой цели — мы до конца не знаем причину этого», — говорит Араш Комейли, изучающий магнитосомы. «Но я думаю, что наиболее вероятное объяснение заключается в том, что в большинстве мест магнитное поле Земли фактически служит полезным ориентиром для бактерий при их перемещении в окружающей среде».
Например, магнитотаксис помогает микроаэрофильным МТБ удерживаться в зонах с «золотой серединой» концентрации кислорода: не слишком много и не слишком мало. В водной среде это означает нахождение в зоне перехода от оксической к аноксической среде, где насыщенная кислородом вода на поверхности сталкивается с более глубокой водой, испытывающей дефицит кислорода. Поскольку эти водные кислородные градиенты являются вертикальными, а линии магнитного поля Земли проходят через них, выравнивание по магнитному полю экономит энергию MTБ, упрощая поиск оптимальных концентраций кислорода. Бактерии просто плавают вверх и вниз по линиям магнитного поля, как крошечные самоходные лифты. Действительно, когда MTБ попадают в зоны с избытком кислорода, они вращают свои жгутики против часовой стрелки, чтобы двигаться вниз. MTБ в средах с низким содержанием кислорода поступают наоборот — их жгутики вращаются по часовой стрелке и они мигрируют вверх. MTБ также плавают быстрее в присутствии магнитных полей, что позволяет им быстрее перемещаться по градиентам кислорода. Могут быть и другие причины, по которым магнитосомы полезны, например, защита от факторов стресса окружающей среды, детоксикация вредных молекул или помощь MTБ в конкуренции с другими бактериями за счет накопления железа, хотя эти функции требуют более глубокого изучения.
Раскрытие тайн физиологии MTБ важно не только для получения новых знаний. MTБ и их магнитные частицы демонстрируют огромный потенциал для растущего числа биомедицинских и биотехнологических применений. Часть привлекательности MTБ заключается в их встроенном компасе. Микробы можно модифицировать так, чтобы они обладали определенными свойствами (например, переносили лекарства), а затем вводить их и магнитно направлять в нужное место in vivo. Эта особенность привлекла особое внимание в области визуализации и лечения рака. Эксперименты на мышах показывают, что под действием приложенного магнитного поля МТБ, введенные в хвостовую вену, мигрируют к глубоко расположенным опухолям печени и накапливаются в них. Под действием переменного магнитного поля (т. е. поля, которое меняет направление и силу) магнитные частицы в бактериях генерируют тепло, убивающее опухолевые клетки (магнитная гипертермия). МТБ также можно наполнить противораковыми препаратами для дальнейшей абляции опухолей.
«Когда мы принимаем какие-либо лекарства, они либо диффундируют, либо попадают в кровоток», — объясняет Цзиньсин Ли из Мичиганского университета. «Поэтому я считаю, что одна из вещей, в преодолении которой [MTБ] может помочь, — это физические барьеры нашей кровеносной системы, позволяющие сфокусировать лекарство на определенной области». Исследователи также разработали стратегии уничтожения патогенов/лечения инфекций или удаления загрязнителей из окружающей среды с помощью MTБ. Потенциал выходит за рамки использования MTБ в их естественной форме. Для Ли MTБ являются биологическим источником вдохновения для биосинтетических инноваций. «Я думаю, что люди всегда стремятся создать что-то, что копирует нас или что-то из природы», — размышляет Ли. «Поэтому мы создаем скульптуры. Сейчас мы создаем роботов. Но мы также думаем о том, как мы можем воспроизвести что-то в мире микро- или наномасштабов, особенно в последние десятилетия».
Лаборатория Ли недавно разработала напечатанных на 3D-принтере микророботов с тремя функциями, включая магнитное приведение в действие, визуализацию магнитных частиц и магнитную гипертермию. Микророботы «TriMag» состоят из акриловых гидрогелей, в которые встроены содержащие железо наночастицы, напоминающие магнитосомы в MTБ. У мышей биоразлагаемые микророботы — с их сперматозоидоподобной морфологией, представляющей собой головку, прикрепленную к длинному спиралеобразному хвосту, — могут проникать в ткани и локализоваться в них, а также уничтожать опухолевые клетки с помощью нагрева, не нанося вреда нормальным тканям. Ли планирует разработать микророботов, которые будут помогать иссекать ткани в местах хирургического вмешательства или удалять тромбы, перемещаясь по микрососудистой среде организма.
По сравнению с естественными системами на основе MTБ преимуществом является точность и возможность интегрировать в микророботов специальные инструменты. Однако MTБ от природы двигаются чрезвычайно эффективно, извлекают энергию из окружающей среды, легко воспринимают окружающую их среду и реагируют на неё. Во многих отношениях учёные, работающие над созданием систем с нуля, стремятся имитировать базовые функции, которые MTБ развивали на протяжении миллионов лет. Ведь эволюция — это, в конечном счёте, лучший оптимизатор. «Бактерии — это машины моей мечты», — говорит Ли. Изучение естественной истории и магнитных механизмов MTБ может привести к созданию синтетических или полусинтетических систем, сочетающих в себе лучшее из обоих миров. «Если мы поймем, как [бактерии] воспринимают окружающую среду, как они плавают и как получают энергию из окружающей среды, мы, возможно, сможем создать синтетические машины с конкретными функциями. Я верю, что в этом направлении существуют реальные возможности».
Имея это в виду, ученые стремятся раскрыть центральный вопрос в мире исследований МТБ: почему и как они эволюционировали? Некоторые исследователи подходят к этому вопросу, изучая магнитофоссилии (т. е. окаменевшие магнитосомы древних МТБ). Анализ этих реликвий прошлого МТБ показывает, как давно существуют магнитосомы. Другие исследователи ищут ответы с помощью генетики. «У нас есть много информации о генах, участвующих в образовании магнитосом, и оказывается, что они довольно уникальны для магнитотактических бактерий», — сказал Комейли. Поэтому можно рассмотреть все разнообразие магнитотактических бактерий в мире и попытаться понять, как далеко уходит их история, основываясь на эволюции генов магнитосом». Сочетание исследований магнитофоссилий с генетикой породило гипотезы о происхождении магнитосом. Например, возможно, что примитивные магнитосомы, появившиеся миллиарды лет назад, эволюционировали для хранения железа. По мере того как окружающая среда Земли менялась и становилась более богатой кислородом, бактерии с магнитными способностями лучше приспосабливались к перемещению по этим градиентам. Результатом стали современные MTБ.
Современные MTБ представляют собой обширную и гетерогенную группу. Исследования в основном сосредоточены на представителях рода Magnetospirillum, естественно обитающих в мелких пресноводных водотоках и отложениях. Эти организмы обычно образуют кубооктаэдрические магнитные кристаллы в количестве 10–50 на клетку. Однако другие виды MTБ могут образовывать сотни кристаллов, формы которых варьируются от пуль до призм. Группа Комейли работает над изучением так называемых MTБ с глубоким ветвлением — тех, которые находятся далеко от Magnetospirillum на филогенетическом дереве. Исследования Magnetospirillum выявили консервативный набор генов (генов mam), необходимых для производства магнитосом. Дополнительные исследования показывают, что независимо от того, насколько глубоко в филогенетическом дереве находятся MTБ, у них есть по крайней мере некоторые из этих генов.
Однако у MTБ с глубоким ветвлением есть другие гены, расположенные рядом с генами mam или среди них, которые отсутствуют у Magnetospirillum spp. Могут ли эти гены отвечать за то, что «исходная магнетосома» приобретает различные свойства? Используя Desulfovibrio magneticus RS-1, MTБ с глубоким ветвлением и магнитосомами в форме зубцов, лаборатория Комейли обнаружила набор белков, связанных с кристаллами (белки Mad), которые, по их гипотезе, контролировали форму кристаллов. Когда они удалили гены этих белков, форма кристаллов осталась прежней, но их расположение полностью изменилось. «Вместо того чтобы располагаться в линию, некоторые мутации приводят к тому, что они образуют небольшие ожерелья. Некоторые мутации [приводят к тому, что] они скапливаются в шарики и образуют цепочку, которая выглядит нормально, но находится не в том месте в клетке», — пояснил Комейли. «Оказалось, что все эти белки на самом деле являются частью сложной системы, которая берет отдельные кристаллы и объединяет их в цепочку внутри клетки». Он отметил, что цепочки являются наиболее консервативной ориентацией магнитосом, поскольку они помогают клеткам эффективно выравниваться по магнитному полю, не «слишком сильно болтаясь».
Хотя у Magnetospirillum spp. также есть белки, которые связывают магнитосомы в цепочку, они практически не совпадают с белками, наблюдаемыми у D. magneticus RS-1. Комейли считает, что простейшее объяснение заключается в том, что эти генетические системы развивались независимо друг от друга. Он предполагает, что ранние бактерии, возможно, имели общий способ образования магнитных частиц. Затем, по мере того как навигация по градиентам окружающей среды с помощью магнитного поля стала важной, различные линии эволюционировали, развивая разные стратегии ориентации.
По мере появления доступных генетических последовательностей из разнообразных MTБ такие исследователи, как Комейли, могут продолжать заполнять контуры механизмов и эволюции магнитосом. И чем богаче становится эта картина, тем лучше мы сможем использовать древние механизмы MTБ для решения современных задач.
