I batteri magnetici potrebbero presto essere utilizzati per la produzione di nuovi biomateriali. Un team di microbiologi dell'Università di Bayreuth guidato dal Prof. Dr. Dirk Schüler ha sviluppato un sistema modulare per la riprogrammazione genetica dei batteri, trasformando così gli organismi in fabbriche di cellule per nanoparticelle magnetiche multifunzionali che combinano varie funzioni e proprietà utili. Grazie alle loro eccezionali proprietà magnetiche e alla buona biocompatibilità, queste nanoparticelle potrebbero essere un nuovo materiale promettente nel campo biomedico e biotecnologico. Nel diario Piccolo gli scienziati hanno presentato le loro scoperte.

Dai magnetosomi alle versatili nanoparticelle

I batteri magnetici della specie Magnetospirillum gryphiswaldense allineano il loro comportamento di nuoto lungo il campo magnetico terrestre. All'interno delle cellule, nanoparticelle magnetiche, i magnetosomi, sono disposti a catena, formando così un ago della bussola intracellulare. Ogni magnetosoma è costituito da un nucleo magnetico di ossido di ferro circondato da una membrana. Oltre ai lipidi, questa membrana contiene anche una varietà di proteine ​​diverse. I microbiologi dell'Università di Bayreuth sono ora riusciti nell'accoppiamento di gruppi funzionali biochimicamente attivi, che provengono da vari organismi estranei, a queste proteine. Il metodo qui utilizzato inizia nella fase dei geni responsabili della biosintesi delle proteine ​​di membrana. Questi geni batterici sono fusi con geni estranei di altri organismi che controllano la produzione delle rispettive proteine ​​funzionali. Non appena i geni vengono reintegrati nel genoma, i batteri riprogrammati producono magnetosomi che mostrano queste proteine ​​estranee installate permanentemente sulla superficie delle particelle.

Nello studio, quattro diversi gruppi funzionali (cioè proteine ​​estranee) sono stati accoppiati alle proteine ​​di membrana. Questi includono l'enzima glucosio ossidasi da un fungo della muffa, che è già utilizzato biotecnologicamente, ad esempio come "sensore dello zucchero" nelle malattie del diabete. Inoltre, una proteina fluorescente verde di una medusa e un enzima produttore di coloranti del batterio Escherichia coli, la cui attività può essere facilmente misurata, sono stati installati sulla superficie dei magnetosomi. Il quarto gruppo funzionale è un frammento di anticorpo di un lama (Alpaca) che è stato utilizzato come connettore versatile. Così, tutte queste proprietà, inclusa la superba magnetizzazione dei magnetosomi, sono codificate geneticamente nei batteri.

"Utilizzando questa strategia genetica, abbiamo riprogrammato i batteri per produrre magnetosomi che emettono luce verde quando irradiati con luce UV e allo stesso tempo mostrano nuove funzioni biocatalitiche. Varie funzioni biochimiche possono essere installate con precisione sulle loro superfici. In tal modo, i magnetosomi dei batteri viventi vengono trasformati in nanoparticelle multifunzionali con funzioni e proprietà affascinanti. Inoltre, le particelle rimangono completamente funzionali quando vengono isolate dai batteri, cosa che può essere facilmente eseguita sfruttando le loro proprietà magnetiche intrinseche, "dice il professor Dirk Schüler, che ha guidato il gruppo di ricerca.

Un toolkit genetico per applicazioni in biomedicina e biotecnologia

La funzionalizzazione dei magnetosomi non è affatto limitata ai gruppi funzionali che sono stati installati sulla superficie delle particelle dai microbiologi di Bayreuth. Anziché, queste proteine ​​possono essere facilmente sostituite da altre funzioni, fornendo così una piattaforma altamente versatile. La riprogrammazione genetica apre quindi un ampio spettro per progettare la superficie del magnetosoma. Fornisce la base per un "kit di strumenti genetici" che consente la produzione di nanoparticelle magnetiche su misura, combinando diverse funzioni e proprietà utili. Ognuna di queste particelle ha una dimensione compresa tra tre e cinque nanometri.

"Il nostro approccio all'ingegneria genetica è altamente selettivo e preciso, rispetto a, ad esempio, tecniche di accoppiamento chimico che non sono altrettanto efficienti e mancano di questo alto grado di controllo, " spiega il microbiologo di Bayreuth Dr. Frank Mickoleit, il primo autore dello studio. Indica un vantaggio decisivo dei nuovi biomateriali:"Studi precedenti mostrano che le nanoparticelle magnetiche probabilmente non sono dannose per le colture cellulari. Una buona biocompatibilità è un prerequisito importante per la futura applicazione delle particelle in biomedicina, ad esempio come agenti di contrasto nelle tecniche di imaging magnetico o come sensori magnetici nella diagnostica. Nel futuro, Per esempio, particelle simili potrebbero aiutare a rilevare e distruggere le cellule tumorali. I sistemi di bioreattore sono un altro campo di applicazione. Le nanoparticelle magnetiche dotate di minuscoli catalizzatori sarebbero molto adatte a questo scopo e consentirebbero processi biochimici complessi.

"C'è un enorme potenziale di applicazione per le nanoparticelle che mostrano diversi gruppi funzionali sulla superficie, in particolare nei settori delle biotecnologie e della biomedicina. I batteri magnetici ora possono fungere da piattaforma per un versatile kit di nano-strumenti, ispirando la creatività scientifica nel campo della Biologia Sintetica. Inizierà ulteriori interessanti approcci di ricerca, " aggiunge la microbiologa Clarissa Lanzloth B.Sc., che è stata coinvolta nel nuovo studio come co-autrice durante il completamento della sua tesi di master in biochimica e biologia molecolare a Bayreuth.