stringtranslate.com

Газовый пузырек

Газовые везикулы галобактерий. (A) Колонии Halobacterium salinarum на твердой среде. Розовые непрозрачные колонии из клеток, содержащих газовые везикулы; красная прозрачная колония из клеток с дефицитом газовых везикул. (B) Криотрансмиссионная электронная микрофотография клеток в 3 M NaCl плюс 81 мМ MgSO 4 . Изображение имеет низкое отношение сигнал/шум из-за высокой концентрации NaCl. (C) Криотрансмиссионная электронная микрофотография истонченной сфокусированным ионным пучком клетки в 3 M NaCl плюс 81 мМ MgSO 4 . Периодичность газовых везикул четко различима. (A) Адаптировано из Pfeifer (2015), (B, C) из Bollschweiler et al. (2017), с разрешения издателя.

Газовые пузырьки , также известные как газовые вакуоли , представляют собой наноотсеки в некоторых прокариотических организмах, которые помогают им плавать. [1] Газовые пузырьки полностью состоят из белка ; липиды или углеводы не обнаружены.

Функция

Газовые пузырьки встречаются в основном в водных организмах, поскольку они используются для модуляции плавучести клетки и изменения ее положения в водной толще, чтобы она могла занять оптимальное положение для фотосинтеза или переместиться в места с большим или меньшим содержанием кислорода. [1] Организмы, которые могут всплывать на поверхность раздела воздух-жидкость, вытесняют других аэробов, которые не могут подниматься в водной толще, за счет использования кислорода в верхнем слое.

Кроме того, газовые везикулы могут использоваться для поддержания оптимальной солености путем размещения организма в определенных местах в стратифицированном водоеме для предотвращения осмотического шока . [2] Высокие концентрации растворенного вещества приведут к тому, что вода будет вытягиваться из клетки путем осмоса , вызывая лизис клетки. Способность синтезировать газовые везикулы является одной из многих стратегий, которые позволяют галофильным организмам переносить среду с высоким содержанием соли.

Эволюция

Газовые везикулы, вероятно, являются одним из самых ранних механизмов подвижности среди микроскопических организмов из-за того, что это наиболее распространенная форма подвижности, сохранившаяся в геноме прокариот, некоторые из которых развились около 3 миллиардов лет назад. [3] [4] Режимы активной подвижности, такие как движение жгутиков, требуют механизма, который мог бы преобразовывать химическую энергию в механическую, и, таким образом, являются гораздо более сложными и должны были развиться позже. Функции газовых везикул также в значительной степени сохраняются среди видов, хотя режим регуляции может различаться, что предполагает важность газовых везикул как формы подвижности. У некоторых организмов, таких как энтеробактерия Serratia sp. подвижность на основе жгутиков и производство газовых везикул регулируются противоположным образом одним связывающим РНК белком, RsmA, что предполагает альтернативные режимы адаптации к окружающей среде, которые могли бы развиться в различные таксоны посредством регуляции развития между подвижностью и флотацией. [5]

Хотя имеются данные, указывающие на раннюю эволюцию газовых пузырьков, перенос плазмиды служит альтернативным объяснением широко распространенной и консервативной природы органеллы. [4] Расщепление плазмиды в Halobacterium halobium привело к потере способности биосинтезировать газовые пузырьки, что указывает на возможность горизонтального переноса генов , который может привести к передаче способности производить газовые пузырьки между различными штаммами бактерий. [6]

Структура

Газовые везикулы, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии. (A) Клетки дикого типа. (B) Клетки дикого типа под давлением. (C) Мутантные клетки, в которых удалены кластеры генов газовых везикул. (D) Газовые везикулы разной ширины. (A~D) Адаптировано из Ramsay et al. (2011) с разрешения издателя.

Газовые везикулы, как правило, имеют форму лимона или цилиндра, полые трубки белка с коническими колпачками на обоих концах. Везикулы больше всего различаются по диаметру. Более крупные везикулы могут удерживать больше воздуха и использовать меньше белка, что делает их наиболее экономичными с точки зрения использования ресурсов, однако, чем больше везикула, тем структурно слабее она находится под давлением и тем меньшее давление требуется, чтобы везикула схлопнулась. Организмы эволюционировали, чтобы быть наиболее эффективными в использовании белка и использовать наибольший максимальный диаметр везикулы, который выдержит давление, которому может подвергнуться организм. Для того чтобы естественный отбор повлиял на газовые везикулы, диаметр везикул должен контролироваться генетикой. Хотя гены, кодирующие газовые везикулы, обнаружены у многих видов галоархей , только несколько видов их производят. Первый ген газовых везикул галоархей, GvpA, был клонирован из Halobacterium sp. NRC-1. [7] В образовании газовых пузырьков у галоархей участвуют 14 генов. [8]

Первый ген газовой везикулы, GvpA, был идентифицирован в Calothrix. [9] Существует по крайней мере два белка, которые составляют газовую везикулу цианобактерий: GvpA и GvpC. GvpA образует ребра и большую часть массы (до 90%) основной структуры. GvpA является сильно гидрофобным и может быть одним из самых гидрофобных известных белков. GvpC является гидрофильным и помогает стабилизировать структуру путем периодических включений в ребра GvpA. GvpC способен вымываться из везикулы и, как следствие, уменьшать прочность везикулы. Толщина стенки везикулы может составлять от 1,8 до 2,8 нм. Ребристая структура везикулы очевидна как на внутренней, так и на внешней поверхности с расстоянием между ребрами 4–5 нм. Везикулы могут иметь длину 100–1400 нм и диаметр 45–120 нм.

В пределах одного вида размеры газовых пузырьков относительно однородны со стандартным отклонением ±4%.

Рост

Образование и морфология газовых пузырьков. (A) и (B) Микрофотографии газовых пузырьков в Halobacterium salinarum, полученные с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Веретенообразные газовые пузырьки на (A). Изолированные цилиндрические газовые пузырьки на (B). (C) Морфогенез газовых пузырьков от биконуса до веретенообразных или цилиндрических газовых пузырьков. (D) Группы газовых пузырьков. Они образуют кластеры на ранней стадии образования газовых пузырьков и позже заполняют клетки. (E) Подробная схема газового пузырька. Газовый наноотсек, заключенный в газопроницаемую оболочку. (A~D) Адаптировано из Pfeifer (2012) и (E) из Shapiro et al. (2014), с разрешения издателя.

Похоже, что газовые пузырьки начинают свое существование как небольшие биконические (два конуса с плоскими основаниями, соединенными) структуры, которые увеличиваются до определенного диаметра, затем растут и увеличивают свою длину. Точно неизвестно, что контролирует диаметр, но это может быть молекула, которая мешает GvpA, или может измениться форма GvpA.

Регулирование

Образование газовых везикул регулируется двумя белками Gvp: GvpD, который подавляет экспрессию белков GvpA и GvpC, и GvpE, который индуцирует экспрессию. [10] Факторы внеклеточной среды также влияют на образование везикул, либо регулируя выработку белка Gvp, либо напрямую нарушая структуру везикул. [8] [11]

Интенсивность света

Было обнаружено, что интенсивность света по-разному влияет на производство и поддержание газовых везикул у разных бактерий и архей. Для Anabaena flos-aquae более высокая интенсивность света приводит к коллапсу везикул из-за увеличения давления тургора и большего накопления продуктов фотосинтеза. У цианобактерий производство везикул уменьшается при высокой интенсивности света из-за воздействия УФ-излучения на бактериальную поверхность, что может повредить бактериальный геном. [11]

Углеводы

Было обнаружено , что накопление глюкозы, мальтозы или сахарозы в Haloferax mediterranei и Haloferax volcanii подавляет экспрессию белков GvpA и, следовательно, снижает продукцию газовых везикул. Однако это происходило только на ранней фазе экспоненциального роста клетки. Образование везикул также могло быть вызвано снижением внеклеточной концентрации глюкозы. [12]

Кислород

Было обнаружено, что недостаток кислорода отрицательно влияет на образование газовых везикул у галофильных архей. Halobacterium salinarum производит мало или не производит везикул в анаэробных условиях из-за сниженного синтеза транскриптов мРНК, кодирующих белки Gvp. H. mediterranei и H. volcanii не производят никаких везикул в бескислородных условиях из-за снижения синтезируемых транскриптов, кодирующих GvpA, и укороченных транскриптов, экспрессирующих GvpD. [12]

рН

Было обнаружено, что повышенные внеклеточные уровни pH увеличивают образование везикул у видов Microcytis. При повышенном pH уровни транскриптов gvpA и gvpC увеличиваются, что позволяет большему воздействию рибосом для экспрессии и приводит к повышению регуляции белков Gvp. Это может быть связано с большей транскрипцией этих генов, сниженным распадом синтезированных транскриптов или более высокой стабильностью мРНК. [13]

Ультразвуковое облучение

Было обнаружено, что ультразвуковое облучение на определенных частотах разрушает газовые пузырьки в цианобактериях Spirulina platensis , предотвращая их цветение. [14]

Определение кворума

В энтеробактериях; Serratia sp. штамм ATCC39006 , газовый везикула образуется только при достаточной концентрации сигнальной молекулы, N-ацилгомосеринлактона. В этом случае молекула, чувствительная к кворуму , N-ацилгомосеринлактон действует как морфоген, инициирующий развитие органеллы. [5] Это выгодно для организма, поскольку ресурсы для производства газовых везикул используются только при ограничении кислорода, вызванном ростом популяции бактерий.

Роль в разработке вакцин

Ген газовых везикул gvp C из Halobacterium sp. используется в качестве системы доставки для исследований вакцин.

Несколько характеристик белка, кодируемого геном газовых пузырьков gvp C, позволяют использовать его в качестве носителя и адъюванта для антигенов: он стабилен, устойчив к биологической деградации, выдерживает относительно высокие температуры (до 50 °C) и непатогенен для человека. [15] Несколько антигенов из различных человеческих патогенов были рекомбинированы в ген gvp C для создания субъединичных вакцин с длительными иммунологическими ответами. [16]

Различные геномные сегменты, кодирующие несколько белков патогена Chlamydia trachomatis , включая MOMP, OmcB и PompD, присоединены к гену gvp C Halobacteria . Оценки клеток in vitro показывают экспрессию генов Chlamydia на поверхности клеток с помощью методов визуализации и показывают характерные иммунологические реакции, такие как активность TLR и выработка провоспалительных цитокинов. [17] Ген газовых пузырьков может быть использован в качестве средства доставки для создания потенциальной вакцины против Chlamydia. Ограничения этого метода включают необходимость минимизировать повреждение самого белка GvpC, одновременно включая как можно большую часть гена-мишени вакцины в сегмент гена gvp C. [17]

Похожий эксперимент использует тот же ген газовых пузырьков и секретируемый инозинфосфатный эффекторный белок SopB4 и SopB5 патогена Salmonella enterica для создания потенциального вектора вакцины. Иммунизированные мыши секретируют провоспалительные цитокины IFN-γ, IL-2 и IL-9. Также обнаруживаются антитела IgG. После заражения в отобранных органах, таких как селезенка и печень, не было обнаружено ни одного или было обнаружено значительно меньшее количество бактерий. Потенциальные вакцины, использующие газовые пузырьки в качестве антигенного дисплея, могут вводиться через слизистую оболочку в качестве альтернативного пути введения, что повышает их доступность для большего числа людей и вызывает более широкий спектр иммунных реакций в организме. [15]

Эксперимент с молотком

Роль контрастных агентов и репортерных генов

Газовые пузырьки обладают несколькими физическими свойствами, которые делают их видимыми на различных медицинских устройствах визуализации . [18] Способность газовых пузырьков рассеивать свет использовалась в течение десятилетий для оценки их концентрации и измерения давления их коллапса. Оптический контраст газовых пузырьков также позволяет им служить контрастными агентами в оптической когерентной томографии с применением в офтальмологии . [19] Разница в акустическом импедансе между газом в их ядрах и окружающей жидкостью дает газовым пузырькам надежный акустический контраст. [20] Более того, способность некоторых оболочек газовых пузырьков изгибаться генерирует гармонические ультразвуковые эхо, которые улучшают соотношение контрастности к ткани. [21] Наконец, газовые пузырьки можно использовать в качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ), полагаясь на разницу между магнитной восприимчивостью воздуха и воды. [22] Возможность неинвазивного коллапса газовых пузырьков с помощью волн давления обеспечивает механизм стирания их сигнала и улучшения их контрастности. Вычитание изображений до и после акустического коллапса позволяет устранить фоновые сигналы, что улучшает обнаружение газовых пузырьков.

Гетерологичная экспрессия газовых везикул в бактериальных [23] и млекопитающих [24] клетках позволила использовать их в качестве первого семейства акустических репортерных генов . [25] В то время как флуоресцентные репортерные гены, такие как зеленый флуоресцентный белок (GFP), широко использовались в биологии, их применение in vivo ограничено глубиной проникновения света в ткань, обычно несколькими мм. Люминесценция может быть обнаружена глубже внутри ткани, но имеет низкое пространственное разрешение. Акустические репортерные гены обеспечивают субмиллиметровое пространственное разрешение и глубину проникновения в несколько сантиметров, что позволяет изучать in vivo биологические процессы глубоко внутри ткани.

Ссылки

  1. ^ ab Walsby AE (март 1994). "Газовые пузырьки". Microbiological Reviews . 58 (1): 94–144. doi :10.1128/mmbr.58.1.94-144.1994. PMC  372955 . PMID  8177173.
  2. ^ Speth DR, Lagkouvardos I, Wang Y, Qian PY, Dutilh BE, Jetten MS (июль 2017 г.). «Черновик генома Scalindua rubra, полученный из интерфейса над Discovery Deep Brine в Красном море, проливает свет на потенциальные стратегии адаптации к соли у бактерий Anammox». Microbial Ecology . 74 (1): 1–5. doi :10.1007/s00248-017-0929-7. PMC 5486813 . PMID  28074246. 
  3. ^ Schwartz RM, Dayhoff MO (январь 1978). «Происхождение прокариот, эукариот, митохондрий и хлоропластов». Science . 199 (4327): 395–403. Bibcode :1978Sci...199..395S. doi :10.1126/science.202030. PMID  202030.
  4. ^ ab Staley JT (июнь 1980 г.). «Газовая вакуоль: ранняя органелла подвижности прокариот?». Origins of Life . 10 (2): 111–116. Bibcode : 1980OrLi...10..111S. doi : 10.1007/BF00928662. S2CID  30889661.
  5. ^ ab Ramsay JP, Williamson NR, Spring DR, Salmond GP (сентябрь 2011 г.). «Молекула, чувствительная к кворуму, действует как морфоген, контролирующий биогенез органелл газовых везикул и адаптивную флотацию энтеробактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (36): 14932–7. Bibcode : 2011PNAS..10814932R. doi : 10.1073/pnas.1109169108 . PMC 3169117. PMID  21873216 . 
  6. ^ Weidinger G, Klotz G, Goebel W (июль 1979). «Большая плазмида из Halobacterium halobium, несущая генетическую информацию для образования газовой вакуоли». Plasmid . 2 (3): 377–86. doi :10.1016/0147-619x(79)90021-0. PMID  482428.
  7. ^ ДасСарма С., Дамерваль Т., Джонс Дж.Г., Тандо де Марсак Н. (ноябрь 1987 г.). «Кодируемый плазмидой ген белка газовых пузырьков в галофильной архебактерии». Молекулярная микробиология . 1 (3): 365–70. doi :10.1111/j.1365-2958.1987.tb01943.x. PMID  3448465. S2CID  31174517.
  8. ^ ab Pfeifer F (февраль 2015 г.). «Галоархеи и образование газовых пузырьков». Life . 5 (1): 385–402. doi : 10.3390/life5010385 . PMC 4390858 . PMID  25648404. 
  9. ^ Tandeau de Marsac N, Mazel D, Bryant DA, Houmard J (октябрь 1985 г.). «Молекулярное клонирование и нуклеотидная последовательность гена, регулируемого развитием, из цианобактерии Calothrix PCC 7601: ген белка газовых везикул». Nucleic Acids Research . 13 (20): 7223–36. doi :10.1093/nar/13.20.7223. PMC 322040. PMID  2997744 . 
  10. ^ Крюгер К, Пфейфер Ф (июль 1996). «Транскриптный анализ области c-vac и дифференциальный синтез двух регуляторных газовых везикулярных белков GvpD и GvpE в Halobacterium salinarium PHH4». Журнал бактериологии . 178 (14): 4012–9. doi :10.1128 / jb.178.14.4012-4019.1996. PMC 178154. PMID  8763925. 
  11. ^ ab Оливер Р. Л., Уолсби А. Э. (1984-07-01). "Прямые доказательства роли коллапса газовых пузырьков, опосредованного светом, в регуляции плавучести Anabaena flos-aquae (цианобактерий)1". Лимнология и океанография . 29 (4): 879–886. Bibcode : 1984LimOc..29..879O. doi : 10.4319/lo.1984.29.4.0879 . ISSN  1939-5590.
  12. ^ ab Hechler T, Pfeifer F (январь 2009). «Анаэробиоз ингибирует образование газовых пузырьков у галофильных архей». Молекулярная микробиология . 71 (1): 132–45. doi : 10.1111/j.1365-2958.2008.06517.x . PMID  19007418.
  13. ^ Gao H, Zhu T, Xu M, Wang S, Xu X, Kong R (сентябрь 2016 г.). «pH-зависимое образование газовых везикул у Microcystis». FEBS Letters . 590 (18): 3195–201. doi : 10.1002/1873-3468.12370 . PMID  27543911.
  14. ^ Хао Х, Ву М, Чен И, Тан Дж, Ву К (2004-12-27). «Контроль цветения цианобактерий с помощью ультразвукового облучения на частотах 20 кГц и 1,7 МГц». Журнал «Экологическая наука и здоровье». Часть A, Токсичные/опасные вещества и экологическая инженерия . 39 (6): 1435–46. doi :10.1081/ESE-120037844. PMID  15244327. S2CID  41996617.
  15. ^ аб ДасСарма П., Неги В.Д., Балакришнан А., Ким Дж.М., Каран Р., Чакравортти Д., ДасСарма С. (01.01.2015). «Антигены сальмонеллы как новый подход к разработке вакцин». Процессия в вакцинологии . Протоколы 8-го Конгресса по вакцинам и независимым поставщикам ПО, Филадельфия, США, 2015 г. 9 (Приложение C): 16–23. doi :10.1016/j.provac.2015.05.003. ПМЦ 4758358 . ПМИД  26900411. 
  16. ^ Stuart ES, Morshed F, Sremac M, DasSarma S (июнь 2001 г.). «Презентация антигена с использованием новых органелл из галофильных архей». Журнал биотехнологии . 88 (2): 119–28. doi :10.1016/s0168-1656(01)00267-x. PMID  11403846.
  17. ^ ab Childs TS, Webley WC (сентябрь 2012 г.). «Оценка in vitro галобактериальных газовых везикул как системы отображения и доставки вакцины против хламидий». Вакцина . 30 (41): 5942–8. ​​doi :10.1016/j.vaccine.2012.07.038. PMID  22846397.
  18. ^ Мареска Д., Лакшманан А., Абеди М., Бар-Цион А., Фархади А., Лу Г.Дж. и др. (июнь 2018 г.). «Биомолекулярный ультразвук и соногенетика». Ежегодный обзор химической и биомолекулярной инженерии . 9 (1): 229–252. doi : 10.1146/annurev-chembioeng-060817-084034. ПМК 6086606 . ПМИД  29579400. 
  19. ^ Lu GJ, Chou LD, Malounda D, Patel AK, Welsbie DS, Chao DL, Ramalingam T, Shapiro MG (2019-03-31). "Биомолекулярные контрастные агенты для оптической когерентной томографии" (PDF) . bioRxiv . doi :10.1101/595157. S2CID  133072739.
  20. ^ Шапиро MG, Гудвилл PW, Неоги A, Инь M, Фостер FS, Шаффер DV, Конолли SM (апрель 2014 г.). «Биогенные газовые наноструктуры как ультразвуковые молекулярные репортеры». Nature Nanotechnology . 9 (4): 311–6. Bibcode : 2014NatNa...9..311S. doi : 10.1038/nnano.2014.32. PMC 4023545. PMID  24633522. 
  21. ^ Maresca D, Lakshmanan A, Lee-Gosselin A, Melis JM, Ni YL, Bourdeau RW и др. (февраль 2017 г.). «Нелинейная ультразвуковая визуализация наномасштабных акустических биомолекул». Applied Physics Letters . 110 (7): 073704. Bibcode : 2017ApPhL.110g3704M . doi : 10.1063/1.4976105. PMC 5315666. PMID  28289314. 
  22. ^ Lu GJ, Farhadi A, Szablowski JO, Lee-Gosselin A, Barnes SR, Lakshmanan A и др. (май 2018 г.). «Акустически модулированная магнитно-резонансная томография газонаполненных белковых наноструктур». Nature Materials . 17 (5): 456–463. Bibcode :2018NatMa..17..456L. doi :10.1038/s41563-018-0023-7. PMC 6015773 . PMID  29483636. 
  23. ^ Bourdeau RW, Lee-Gosselin A, Lakshmanan A, Farhadi A, Kumar SR, Nety SP, Shapiro MG (январь 2018 г.). «Акустические репортерные гены для неинвазивной визуализации микроорганизмов у млекопитающих». Nature . 553 (7686): 86–90. Bibcode :2018Natur.553...86B. doi :10.1038/nature25021. PMC 5920530 . PMID  29300010. 
  24. ^ Фархади А., Хо Г.Х., Сойер Д.П., Бурдо Р.В., Шапиро М.Г. (сентябрь 2019 г.). «Ультразвуковая визуализация экспрессии генов в клетках млекопитающих». Наука . 365 (6460): 1469–1475. Бибкод : 2019Sci...365.1469F. doi : 10.1126/science.aax4804. ПМК 6860372 . ПМИД  31604277. 
  25. ^ Хилл AM, Салмонд GP (апрель 2020 г.). «Микробные газовые везикулы как инструменты нанотехнологии: использование внутриклеточных органелл для трансляционной полезности в биотехнологии, медицине и окружающей среде». Микробиология . 166 (6): 501–509. doi : 10.1099/mic.0.000912 . PMC 7376271. PMID 32324529  .