Газовый пузырек
Газовые везикулы , также известные как газовые вакуоли , представляют собой наноотделения у некоторых прокариотических организмов, которые помогают плавучести. [1] Газовые везикулы полностью состоят из белка ; липидов и углеводов не обнаружено.
Функция
[ редактировать ]клеток Газовые везикулы встречаются в основном в водных организмах, поскольку они используются для модуляции плавучести и изменения положения клетки в толще воды, чтобы она могла оптимально располагаться для фотосинтеза или перемещаться в места с большим или меньшим количеством кислорода. [1] Организмы, которые могут плавать к границе раздела воздух-жидкость, конкурируют с другими аэробами, которые не могут подняться в толще воды, потребляя кислород в верхнем слое.
Кроме того, газовые везикулы можно использовать для поддержания оптимальной солености путем размещения организма в определенных местах стратифицированного водоема для предотвращения осмотического шока . [2] Высокие концентрации растворенных веществ вызывают вытягивание воды из клетки путем осмоса , вызывая лизис клеток. Способность синтезировать газовые пузырьки — одна из многих стратегий, которые позволяют галофильным организмам переносить среду с высоким содержанием солей.
Эволюция
[ редактировать ]Газовые везикулы, вероятно, являются одним из самых ранних механизмов подвижности среди микроскопических организмов, поскольку это наиболее распространенная форма подвижности, сохранившаяся в геноме прокариот, некоторые из которых развились около 3 миллиардов лет назад. [3] [4] Способы активной подвижности, такие как движение жгутиков, требуют механизма, который мог бы преобразовывать химическую энергию в механическую, и, следовательно, он гораздо более сложен и развился бы позже. Функции газовых пузырьков также в значительной степени консервативны среди видов, хотя способы регуляции могут различаться, что указывает на важность газовых пузырьков как формы подвижности. В некоторых организмах, таких как Enterobacterium Serratia sp. Подвижность на основе жгутиков и образование газовых пузырьков противоположным образом регулируются одним РНК-связывающим белком, RsmA, что предполагает альтернативные способы адаптации к окружающей среде, которые могли бы развиться в разные таксоны посредством регуляции развития между подвижностью и флотацией. [5]
Хотя есть данные, свидетельствующие о ранней эволюции газовых везикул, перенос плазмиды служит альтернативным объяснением широко распространенной и консервативной природы органеллы. [4] Расщепление плазмиды у Halobacterium halobium приводило к потере способности биосинтезировать газовые везикулы, что указывает на возможность горизонтального переноса генов , который мог бы привести к переносу способности продуцировать газовые везикулы между различными штаммами бактерий. [6]
Структура
[ редактировать ]Газовые везикулы обычно представляют собой полые белковые трубки лимонной или цилиндрической формы с коническими крышками на обоих концах. Везикулы наиболее различаются по диаметру. Пузырьки большего размера могут удерживать больше воздуха и использовать меньше белка, что делает их наиболее экономичными с точки зрения использования ресурсов, однако чем больше везикула, тем структурнее она слабее под давлением и тем меньшее давление требуется, прежде чем везикула разрушится. Организмы эволюционировали так, чтобы наиболее эффективно использовать белок и использовать везикулы максимального диаметра, способного выдержать давление, которому может подвергнуться организм. Чтобы естественный отбор повлиял на газовые пузырьки, диаметр пузырьков должен контролироваться генетикой.Хотя гены, кодирующие газовые пузырьки, обнаружены у многих видов галоархей , их продуцируют лишь несколько видов. Первый ген газовых пузырьков галоархей, GvpA, был клонирован из Halobacterium sp. НРК-1. [7] В формировании газовых пузырьков у галоархей участвуют 14 генов. [8]
Первый ген газовых пузырьков, GvpA, был идентифицирован у Calothrix. [9] Газовый везикула цианобактерии состоит как минимум из двух белков: GvpA и GvpC. ГвпА образует ребра и большую часть массы (до 90%) основной структуры. GvpA сильно гидрофобен и может быть одним из наиболее гидрофобных известных белков. GvpC гидрофильен и помогает стабилизировать структуру за счет периодических включений в ребра GvpA. GvpC способен вымываться из везикулы, что приводит к снижению ее прочности. Толщина стенки везикулы может составлять от 1,8 до 2,8 нм. Ребристая структура везикулы выражена 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.
Размеры газовых пузырьков внутри одного вида относительно однородны со стандартным отклонением ± 4%.
Рост
[ редактировать ]По-видимому, газовые пузырьки начинают свое существование как небольшие биконические (два конуса с соединенными плоскими основаниями) структуры, которые увеличиваются до определенного диаметра, а 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
[ редактировать ]Образование газовых везикул регулируется двумя белками Gvp: GvpD, который подавляет экспрессию белков GvpA и GvpC, и GvpE, индуцирующим экспрессию. [10] Внеклеточные факторы окружающей среды также влияют на образование везикул, либо регулируя выработку белка Gvp, либо напрямую нарушая структуру везикул. [8] [11]
Интенсивность света
[ редактировать ]Было обнаружено, что интенсивность света по-разному влияет на производство и поддержание газовых пузырьков у разных бактерий и архей. У Anabaena flos-aquae более высокая интенсивность света приводит к коллапсу пузырьков из-за увеличения тургорного давления и большего накопления продуктов фотосинтеза. У цианобактерий образование везикул снижается при высокой интенсивности света из-за воздействия на поверхность бактерий УФ-излучения, которое может повредить бактериальный геном. [11]
Углеводы
[ редактировать ]Было обнаружено, что накопление глюкозы, мальтозы или сахарозы в Haloferax mediterranei и Haloferax volcanii ингибирует экспрессию белков GvpA и, следовательно, снижает продукцию газовых пузырьков. Однако это произошло только на ранней фазе экспоненциального роста клетки. Образование везикул также может быть вызвано снижением внеклеточной концентрации глюкозы. [12]
Кислород
[ редактировать ]Установлено, что недостаток кислорода отрицательно влияет на образование газовых пузырьков у галофильных архей. Halobacterium salinarum образует мало везикул или вообще не образует их в анаэробных условиях из-за снижения синтеза транскриптов мРНК, кодирующих белки Gvp. H. mediterranei и H. volcanii не образуют пузырьков в аноксических условиях из-за уменьшения количества синтезируемых транскриптов, кодирующих GvpA, и укороченных транскриптов, экспрессирующих GvpD. [12]
рН
[ редактировать ]Было обнаружено, что повышенный уровень внеклеточного pH увеличивает образование везикул у видов Microcytis. При повышенном pH уровни транскриптов gvpA и gvpC увеличиваются, что обеспечивает большее воздействие рибосом на экспрессию и приводит к усилению регуляции белков Gvp. Это может быть связано с большей транскрипцией этих генов, уменьшением распада синтезированных транскриптов или более высокой стабильностью мРНК. [13]
Ультразвуковое облучение
[ редактировать ]Было обнаружено, что ультразвуковое облучение на определенных частотах разрушает газовые пузырьки цианобактерий Spirulina Platensis , предотвращая их цветение. [14]
Определение кворума
[ редактировать ]У энтеробактерий; Серратия сп. штамм ATCC39006 , газовая везикула образуется только при наличии достаточной концентрации сигнальной молекулы, N-ацил-гомосерин-лактона. В этом случае молекула, чувствующая кворум , N-ацил-гомосеринлактон действует как морфоген, инициирующий развитие органелл. [5] Это выгодно организму, поскольку ресурсы для производства газовых пузырьков используются только при ограничении кислорода, вызванном увеличением популяции бактерий.
Роль в разработке вакцины
[ редактировать ]Ген газовых пузырьков gvp C из Halobacterium sp. используется в качестве системы доставки для исследований вакцин.
Ряд характеристик белка, кодируемого геном газовых пузырьков gvp C, позволяют использовать его в качестве носителя и адъюванта для антигенов: он стабилен, устойчив к биологической деградации, переносит относительно высокие температуры (до 50 °С), непатогенен. людям. [15] Несколько антигенов различных человеческих патогенов были рекомбинированы в ген gvp C для создания субъединичных вакцин с длительным иммунологическим ответом. [16]
Различные геномные сегменты, кодирующие несколько белков возбудителя Chlamydia trachomatis , включая MOMP, OmcB и PompD, присоединены к гену gvp C Halobacteria . Оценка клеток in vitro показывает экспрессию генов хламидий на поверхности клеток с помощью методов визуализации и демонстрирует характерные иммунологические реакции, такие как активность TLR и выработка провоспалительных цитокинов. [17] Ген газовых пузырьков можно использовать в качестве средства доставки для создания потенциальной вакцины против хламидиоза. Ограничения этого метода включают необходимость минимизировать повреждение самого белка GvpC при одновременном включении как можно большего количества гена-мишени вакцины в сегмент гена Gvp C. [17]
В аналогичном эксперименте Salmonella enterica для создания потенциального вектора вакцины используется тот же ген газового пузырька и эффекторный белок SopB4 и SopB5, секретируемый возбудителем . Иммунизированные мыши секретируют провоспалительные цитокины IFN-γ, IL-2 и IL-9. Также обнаруживаются антитела IgG. После заражения в собранных органах, таких как селезенка и печень, не было обнаружено ни одного или значительно меньшее количество бактерий. Потенциальные вакцины, использующие газовые пузырьки в качестве средства отображения антигена, могут вводиться через слизистую оболочку в качестве альтернативного пути введения, что увеличивает их доступность для большего числа людей и вызывает более широкий спектр иммунных реакций в организме. [15]
Роль контрастных веществ и репортерных генов
[ редактировать ]Газовые везикулы обладают рядом физических свойств, которые делают их видимыми при различных методах медицинской визуализации . [18] Способность газовых пузырьков рассеивать свет десятилетиями использовалась для оценки их концентрации и измерения давления их коллапса. Оптический контраст газовых пузырьков также позволяет им служить в качестве контрастных веществ в оптической когерентной томографии , а также в офтальмологии . [19] Разница в акустическом импедансе между газом в их ядрах и окружающей жидкостью придает газовым пузырькам сильный акустический контраст. [20] Более того, способность некоторых оболочек газовых пузырьков изгибаться генерирует гармонические ультразвуковые эхо, что улучшает соотношение контраста и ткани. [21] Наконец, газовые везикулы можно использовать в качестве контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии (МРТ), опираясь на разницу между магнитной восприимчивостью воздуха и воды. [22] Способность неинвазивно сжимать газовые пузырьки с помощью волн давления обеспечивает механизм стирания их сигнала и улучшения их контрастности. Вычитание изображений до и после акустического коллапса может устранить фоновые сигналы, улучшая обнаружение газовых пузырьков.
Гетерологичная экспрессия газовых везикул у бактерий. [23] и млекопитающих [24] клеток позволили использовать их в качестве первого семейства акустических репортерных генов . [25] Хотя флуоресцентные репортерные гены, такие как зеленый флуоресцентный белок (GFP), широко используются в биологии, их применение in vivo ограничено глубиной проникновения света в ткани, обычно составляющей несколько мм. Люминесценция может обнаруживаться глубже в ткани, но имеет низкое пространственное разрешение. Акустические репортерные гены обеспечивают субмиллиметровое пространственное разрешение и глубину проникновения в несколько сантиметров, что позволяет in vivo изучать биологические процессы глубоко внутри ткани .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Уолсби А.Е. (март 1994 г.). «Газовые пузырьки» . Микробиологические обзоры . 58 (1): 94–144. дои : 10.1128/ммбр.58.1.94-144.1994 . ПМК 372955 . ПМИД 8177173 .
- ^ Спет Д.Р., Лагкувардос И., Ван Ю, Цянь П.Ю., Дутил Б.Е., Джеттен М.С. (июль 2017 г.). «Проект генома Scalindua rubra, полученный на границе раздела над глубоким рассолом Discovery в Красном море, проливает свет на потенциальные стратегии адаптации соли у анаммокс-бактерий» . Микробная экология . 74 (1): 1–5. дои : 10.1007/s00248-017-0929-7 . ПМЦ 5486813 . ПМИД 28074246 .
- ^ Шварц Р.М., Дайхофф Миссури (январь 1978 г.). «Происхождение прокариотов, эукариотов, митохондрий и хлоропластов». Наука . 199 (4327): 395–403. Бибкод : 1978Sci...199..395S . дои : 10.1126/science.202030 . ПМИД 202030 .
- ^ Перейти обратно: а б Стейли Дж. Т. (июнь 1980 г.). «Газовая вакуоль: ранняя органелла подвижности прокариот?». Истоки жизни . 10 (2): 111–116. Бибкод : 1980OrLi...10..111S . дои : 10.1007/BF00928662 . S2CID 30889661 .
- ^ Перейти обратно: а б Рамзи Дж. П., Уильямсон Н. Р., Спринг Д. Р., Салмонд Г. П. (сентябрь 2011 г.). «Молекула, чувствующая кворум, действует как морфоген, контролирующий биогенез органелл газовых пузырьков и адаптивную флотацию в энтеробактериях» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (36): 14932–7. Бибкод : 2011PNAS..10814932R . дои : 10.1073/pnas.1109169108 . ПМК 3169117 . ПМИД 21873216 .
- ^ Вайдингер Г., Клотц Г., Гебель В. (июль 1979 г.). «Большая плазмида Halobacterium halobium, несущая генетическую информацию для образования газовых вакуолей». Плазмида . 2 (3): 377–86. дои : 10.1016/0147-619x(79)90021-0 . ПМИД 482428 .
- ^ ДасСарма С., Дамерваль Т., Джонс Дж.Г., Марсак Тандо Н. (ноябрь 1987 г.). «Кодируемый плазмидой ген белка газовых пузырьков в галофильной архебактерии». Молекулярная микробиология . 1 (3): 365–70. дои : 10.1111/j.1365-2958.1987.tb01943.x . ПМИД 3448465 . S2CID 31174517 .
- ^ Перейти обратно: а б Пфайфер Ф. (февраль 2015 г.). «Галоархеи и образование газовых пузырьков» . Жизнь . 5 (1): 385–402. дои : 10.3390/life5010385 . ПМК 4390858 . ПМИД 25648404 .
- ^ Тандо де Марсак Н., Мазель Д., Брайант Д.А., Умар Дж. (октябрь 1985 г.). «Молекулярное клонирование и нуклеотидная последовательность регулируемого в процессе развития гена цианобактерии Calothrix PCC 7601: ген белка газовых пузырьков» . Исследования нуклеиновых кислот . 13 (20): 7223–36. дои : 10.1093/нар/13.20.7223 . ПМК 322040 . ПМИД 2997744 .
- ^ Крюгер К., Пфайфер Ф. (июль 1996 г.). «Транскриптный анализ области c-vac и дифференциальный синтез двух регуляторных белков газовых пузырьков GvpD и GvpE в Halobacterium salinarium PHH4» . Журнал бактериологии . 178 (14): 4012–9. дои : 10.1128/jb.178.14.4012-4019.1996 . ПМК 178154 . ПМИД 8763925 .
- ^ Перейти обратно: а б Оливер Р.Л., Уолсби А.Э. (1 июля 1984 г.). «Прямые доказательства роли светоопосредованного коллапса газовых пузырьков в регуляции плавучести Anabaena flos-aquae (цианобактерий)1» . Лимнология и океанография . 29 (4): 879–886. Бибкод : 1984LimOc..29..879O . дои : 10.4319/lo.1984.29.4.0879 . ISSN 1939-5590 .
- ^ Перейти обратно: а б Хехлер Т., Пфайфер Ф. (январь 2009 г.). «Анаэробиоз подавляет образование газовых пузырьков у галофильных архей» . Молекулярная микробиология . 71 (1): 132–45. дои : 10.1111/j.1365-2958.2008.06517.x . ПМИД 19007418 .
- ^ Гао Х, Чжу Т, Сюй М, Ван С, Сюй X, Конг Р (сентябрь 2016 г.). «РН-зависимое образование газовых пузырьков у Microcystis» . Письма ФЭБС . 590 (18): 3195–201. дои : 10.1002/1873-3468.12370 . ПМИД 27543911 .
- ^ Хао Х, Ву М, Чен Ю, Тан Дж, Ву Ц (27 декабря 2004 г.). «Контроль цветения цианобактерий с помощью ультразвукового облучения частотой 20 кГц и 1,7 МГц». Журнал наук об окружающей среде и здоровье. Часть A. Токсичные/опасные вещества и экологическая инженерия . 39 (6): 1435–46. дои : 10.1081/ESE-120037844 . ПМИД 15244327 . S2CID 41996617 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 . По материалам 8-го Конгресса по вакцинам и независимым поставщикам ПО, Филадельфия, США, 2015 г. 9 (Приложение C): 16–23. дои : 10.1016/j.provac.2015.05.003 . ПМЦ 4758358 . ПМИД 26900411 .
- ^ Стюарт Э.С., Моршед Ф., Сремак М., ДасСарма С. (июнь 2001 г.). «Презентация антигена с использованием новых органелл в виде частиц галофильных архей». Журнал биотехнологии . 88 (2): 119–28. дои : 10.1016/s0168-1656(01)00267-x . ПМИД 11403846 .
- ^ Перейти обратно: а б Чайлдс ТС, Webley WC (сентябрь 2012 г.). «Оценка in vitro газовых везикул галобактерий как системы отображения и доставки вакцины против хламидии». Вакцина . 30 (41): 5942–8. doi : 10.1016/j.vaccine.2012.07.038 . ПМИД 22846397 .
- ^ 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-chemistry-060817-084034 . ПМК 6086606 . ПМИД 29579400 .
- ^ Лу Г.Дж., Чоу Л.Д., Малунда Д., Патель А.К., Уэлсби Д.С., Чао Д.Л., Рамалингам Т., Шапиро М.Г. (31 марта 2019 г.). «Биомолекулярные контрастные вещества для оптической когерентной томографии» (PDF) . биоRxiv . дои : 10.1101/595157 . S2CID 133072739 .
- ^ Шапиро М.Г., Гудвилл П.В., Неоги А., Инь М., Фостер Ф.С., Шаффер Д.В., Конолли С.М. (апрель 2014 г.). «Биогенные газовые наноструктуры как ультразвуковые молекулярные репортеры» . Природные нанотехнологии . 9 (4): 311–6. Бибкод : 2014НатНа...9..311С . дои : 10.1038/nnano.2014.32 . ПМК 4023545 . ПМИД 24633522 .
- ^ Мареска Д., Лакшманан А., Ли-Госселин А., Мелис Дж.М., Ни Ю.Л., Бурдо Р.В. и др. (февраль 2017 г.). «Нелинейная ультразвуковая визуализация наноразмерных акустических биомолекул» . Письма по прикладной физике . 110 (7): 073704. Бибкод : 2017АпФЛ.110г3704М . дои : 10.1063/1.4976105 . ПМК 5315666 . ПМИД 28289314 .
- ^ Лу Г.Дж., Фархади А., Шабловски Дж.О., Ли-Госселин А., Барнс С.Р., Лакшманан А. и др. (май 2018 г.). «Акустически-модулированная магнитно-резонансная томография газонаполненных белковых наноструктур» . Природные материалы . 17 (5): 456–463. Бибкод : 2018NatMa..17..456L . дои : 10.1038/s41563-018-0023-7 . ПМК 6015773 . ПМИД 29483636 .
- ^ Бурдо Р.В., Ли-Госселин А., Лакшманан А., Фархади А., Кумар С.Р., Нети С.П., Шапиро М.Г. (январь 2018 г.). «Акустические репортерные гены для неинвазивной визуализации микроорганизмов у млекопитающих-хозяев» . Природа . 553 (7686): 86–90. Бибкод : 2018Natur.553...86B . дои : 10.1038/nature25021 . ПМК 5920530 . ПМИД 29300010 .
- ^ 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 .
- ^ Хилл А.М., Салмонд GP (апрель 2020 г.). «Микробные газовые везикулы как инструменты нанотехнологий: использование внутриклеточных органелл для трансляционной полезности в биотехнологии, медицине и окружающей среде» . Микробиология . 166 (6): 501–509. дои : 10.1099/mic.0.000912 . ПМЦ 7376271 . ПМИД 32324529 .