趋磁细菌磁小体合成相关蛋白的研究进展

趋磁细菌是一类能够沿着磁场方向运动的革兰氏阴性细菌的总称,其最显著的特征是能够在胞内合成特殊的原核细胞器——磁小体。磁小体是具有外膜包被、纳米级、在胞内成链状排列的Fe3O4或Fe3S4磁性颗粒,并且具有专属的形态、大小和排列。正是因为磁小体的这些特性使不同领域的科研工作者开发着趋磁细菌的应用。另外,磁小体可以作为生物矿化和原核生物形成膜细胞器的理想模型。趋磁细菌磁小体合成相关蛋白在磁小体囊泡的形成、铁的转运、成晶的控制以及胞内磁性颗粒的排列等过程中发挥作用。文中重点介绍了近年来发现的和趋磁细菌磁小体合成相关的蛋白,并对未来磁小体蛋白的研究进行了展望。     

趋磁细菌磁小体的研究进展

趋磁细菌是一类能够沿着磁场方向运动的革兰氏阴性细菌的总称,其最显著的共同特征是胞内能够合成链状排列、具有外膜包被的Fe3O4或Fe3S4磁性颗粒—磁小体。概要介绍了趋磁细菌的发现、生态分布、一般特性和分离纯化存在的问题,重点讨论了磁小体合成的主要过程,并对将来磁小体的研究进行了展望。     

氧化亚铁硫杆菌的磁性及铁源种类对磁小体合成的影响

氧化亚铁硫杆菌,通过氧化二价铁或还原态无机硫化物获得能量,在细胞内能合成磁性纳米颗粒。通过扫描电镜和透射电镜对氧化亚铁硫杆菌菌体进行分析。探讨了该菌的趋磁性以及不同铁源对菌体生长和磁小体合成的影响。结果表明:生长于9K培养基的细菌能够合成磁小体,单个细胞的磁小体数目大概为2个;干燥菌体和湿菌体都能被磁铁吸附;当有外加磁场时,细菌在半固体平板和光学显微镜下均可见趋磁性;氧化亚铁硫杆菌生长和磁小体合成的最佳铁源均为硫酸亚铁。     

大庆黑鱼湖秋季趋磁细菌多样性分析

为研究大庆市黑鱼湖秋季沉积物中趋磁细菌的多样性,了解趋磁细菌分布。采用光学显微镜、透射电子显微镜(TEM)观察,扩增趋磁细菌16S rRNA基因的方法进行分析,结果发现,该区域趋磁细菌绝大多数为球菌。磁小体形状单一,皆为六面体棱柱,成分为Fe_3O_4,排列方式多样,分别为单链、散链和碎链。测序得到了30个趋磁细菌序列,分属7个OTU。系统发育分析结果表明,都属于α-变形菌纲。5个OTU与已知趋磁细菌序列的相似性等于95%,代表了趋磁细菌的5个新种。说明该区域存在可观的趋磁细菌资源。     

济南冬季泉水水系中趋磁细菌的多样性

为探究济南冬季泉水水系中细菌的生态分布、未培养趋磁细菌及其磁小体形态的多样性,选择济南市泉水源头、护城河及泉水汇集的大明湖等8处不同位点,于2018年1月13日收集水底表层泥样,富集环境中趋磁细菌,提取样品总DNA,进行16S r DNA高通量测序及生物信息学分析,并利用透射电子显微镜观察和统计趋磁细菌及磁小体的形态,揭示济南泉水水系中趋磁细菌的分布特征。结果表明,济南冬季泉水水系中趋磁细菌分布明显不均,泉水源头处未检测到趋磁细菌;黑虎泉下游护城河中发现了少量单链趋磁球菌,基因序列表明为新种,暂定为η-变形菌纲(Candidatus Etaproteobacteria)的一个菌株;众泉汇集的大明湖中趋磁细菌种类最多,且细菌和磁小体形态多样性复杂。微生物多样性分析发现,冬季泉水水系中细菌种类主要是变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi),三者总丰度均占细菌总量的65%以上,具有磁细菌生长所需的群落环境。本研究可为深入研究未培养趋磁细菌的全基因组及可培养条件等提供素材与线索。     

细菌磁小体形成机制和应用研究进展

趋磁细菌(magnetotactic bacteria,MTB)可以在细胞内形成磁小体(magnetosome,MS)并在磁场作用下定向运动。MTB的MS合成是一个多基因参与的复杂过程。MS由于其优良的性能而有着广阔的应用前景。本文对MS的合成机制和应用的研究进展进行了初步的概述。     

氨基化磁纳米Fe3O4对铅离子的吸附研究

采用水热法制备了一种氨基化磁纳米Fe3O4粒子,并采用X-射线衍射、透射电镜和红外光谱对该材料进行了表征。研究了氨基化磁纳米Fe3O4在不同pH、反应时间、添加量和初始金属离子浓度下对Pb2+的吸附能力。结果表明:在pH 8.5、分析时间为10 min时对Pb2+的吸附率可达90%以上;随着氨基化磁纳米Fe3O4添加量的增加,其对Pb2+的吸附能力也增强;随着Pb2+初始浓度的增加,氨基化磁纳米Fe3O4对Pb2+的吸附率降低。氨基化磁纳米Fe3O4对Pb2+的吸附动力学和热力学分别符合准二级吸附模型和Langmuir等温吸附模型。不同浓度盐酸对保留在氨基化磁纳米Fe3O4上的Pb2+的脱附影响研究结果显示:0.1～2.0 mol.L-1盐酸对氨基化磁纳米Fe3O4材料的脱附率均可达到85%以上,说明该材料具有循环利用的可能。     

趋磁细菌的分离研究

从与湖南农业大学相邻的东湖水域中采集泥水样,经过样品的富集,趋磁细菌的收集及细菌的培养等过程后,再用超声波破碎细胞,再用永久磁性收集趋磁颗粒。趋磁颗粒经盐酸溶解后,与硫氰酸铵反应,溶液变为红色,证明有铁离子的存在。结果表明,已初步分离到趋磁细菌。     

大庆龙凤湿地一株新型δ-变形菌纲趋磁螺菌的发现

通过对大庆龙凤湿地中趋磁细菌的首次研究,发现了一株新型趋磁螺菌,它能够在细胞内合成子弹头形磁小体,成分为磁铁矿,呈单链排列,16S rRNA基因系统发育分析,该趋磁细菌属于变形菌门中的δ-变形菌纲,是目前国内在东北地区第一例、内陆第三例发现的属于δ-变形菌纲的趋磁细菌。研究揭示了大庆地区可能蕴含丰富的趋磁细菌资源,δ-变形菌纲趋磁细菌在该地区的首次发现对龙凤湿地的生态环境认识也具有一定的指示意义。     

趋磁细菌RNA提取方法的比较研究

[目的]筛选磁螺菌(Magnetospirillum gryphiswaldense)MSR-1的总RNA提取方法。[方法]通过比较实验室法和试剂盒法提取RNA的效果,选择适合趋磁细菌RNA提取的方法。用琼脂糖凝胶电泳及紫外分光光度仪检测趋磁细菌RNA的纯度、浓度及质量。[结果]RNAiso Plus试剂盒利用其特殊成分能选择性的与RNA结合,使蛋白等杂质不能与之结合,能更有效地清除DNA及蛋白质污染,提取的RNA纯度、质量较高。[结论]该研究成功的得到一种快速、高质量提取趋磁细菌RNA的方法。在提取中发现产磁小体菌株的RNA较不产磁小体菌株的量少,推测磁小体对核酸具有吸附性,为今后利用磁性吸附对生物的核酸提取方面提供依据。     

Multiple evolutionary origins of magnetotaxis in bacteria

Magnetosomes are intracellular, iron-rich, membrane-enclosed magnetic particles that allow magnetotactic bacteria to orient in the earth's geomagnetic field as they swim. The magnetosomes of most magnetotactic bacteria contain iron oxide particles, but some magnetotactic species contain iron sulfide particles instead. Phylogenetic analyses of small subunit ribosomal RNA sequences showed that all known magnetotactic bacteria of the iron oxide type are associated with the a subgroup of the Proteobacteria in the domain Bacteria. In contrast, uncultured magnetotactic bacteria of the iron sulfide type are specifically related to the dissimilatory sulfate-reducing bacteria within the delta subdivision of the Proteobacteria. These findings indicate a polyphyletic origin for magnetotactic bacteria and suggest that magnetotaxis based on iron oxides and iron sulfides evolved independently.     

South-seeking magnetotactic bacteria in the Northern Hemisphere

Magnetotactic bacteria contain membrane-bound intracellular iron crystals (magnetosomes) and respond to magnetic fields. Polar magnetotactic bacteria in vertical chemical gradients are thought to respond to high oxygen levels by swimming downward into areas with low or no oxygen (toward geomagnetic north in the Northern Hemisphere and geomagnetic south in the Southern Hemisphere). We identified populations of polar magnetotactic bacteria in the Northern Hemisphere that respond to high oxygen levels by swimming toward geomagnetic south, the opposite of all previously reported magnetotactic behavior. The percentage of magnetotactic bacteria with south polarity in the environment is positively correlated with higher redox potential. The coexistence of magnetotactic bacteria with opposing polarities in the same redox environment conflicts with current models of the adaptive value of magnetotaxis.     

A cultured greigite-producing magnetotactic bacterium in a novel group of sulfate-reducing bacteria

Magnetotactic bacteria contain magnetosomes--intracellular, membrane-bounded, magnetic nanocrystals of magnetite (Fe(3)O(4)) or greigite (Fe(3)S(4))--that cause the bacteria to swim along geomagnetic field lines. We isolated a greigite-producing magnetotactic bacterium from a brackish spring in Death Valley National Park, California, USA, strain BW-1, that is able to biomineralize greigite and magnetite depending on culture conditions. A phylogenetic comparison of BW-1 and similar uncultured greigite- and/or magnetite-producing magnetotactic bacteria from freshwater to hypersaline habitats shows that these organisms represent a previously unknown group of sulfate-reducing bacteria in the Deltaproteobacteria. Genomic analysis of BW-1 reveals the presence of two different magnetosome gene clusters, suggesting that one may be responsible for greigite biomineralization and the other for magnetite.     

趋磁性木材的制备与多功能化修饰

受生物体磁场感应特征的启发而被开发利用的趋磁性木材是一种新型的功能性材料,当前对它的研究仍在起步阶段。文中系统地探讨了水热工艺参数,如反应的温度、时间和反应物的浓度对趋磁性木材结构和性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪和磁学测量系统对趋磁性木材的表面形貌、晶体类型和磁性能进行了分析。结果发现,高的反应温度有利于在木材表面生成粒径更大的磁性粒子,从而得到具有更高饱和磁化强度的磁性木材。反应时间对趋磁性木材形成初期的形貌和磁性有重要影响,但当反应时间达到8 h时,木材上磁性粒子数量达到饱和状态。反应物浓度对生长在木材表面磁性粒子的纯度具有很重要的影响,合适的反应物浓度能够确保得到高纯度的磁性粒子。此外,在优化工艺的基础上对趋磁性木材进行疏水改性,可以得到同时具有抗紫外老化性能、超疏水性和磁性的多功能性木材,拓展了趋磁性木材的应用领域。     

Magnetotactic bacteria at the geomagnetic equator

Magnetotactic bacteria are present in fresh water and marine sediments of Fortaleza, Brazil, situated close to the geomagnetic equator. Both South-seeking and North-seeking bacteria are present in roughly equal numbers in the same samples. This observation is consistent with the hypothesis that the vertical component of the geomagnetic field selects the predominant polarity type among magnetotactic bacteria in natural environments.