Pęcherzyk gazowy - Gas vesicle
Pęcherzyki gazowe , znane również jako wakuole gazowe , to nanoprzedziały w niektórych organizmach prokariotycznych , które pomagają w wyporności. Pęcherzyki gazowe składają się wyłącznie z białka ; nie wykryto żadnych lipidów ani węglowodanów.
Funkcjonować
Pęcherzyki gazowe występują głównie w organizmach wodnych, ponieważ służą do modulowania wyporu komórki i modyfikowania pozycji komórki w słupie wody, dzięki czemu można ją optymalnie zlokalizować do fotosyntezy lub przenieść do miejsc o większej lub mniejszej zawartości tlenu. Organizmy, które mogą unosić się na granicy powietrze-ciecz, konkurują z innymi tlenowcami, które nie mogą unosić się w słupie wody, zużywając tlen w górnej warstwie.
Ponadto pęcherzyki gazowe mogą służyć do utrzymania optymalnego zasolenia poprzez umieszczenie organizmu w określonych miejscach uwarstwionego akwenu wodnego, aby zapobiec wstrząsowi osmotycznemu . Wysokie stężenie substancji rozpuszczonej spowoduje, że woda zostanie wyciągnięta z komórki przez osmozę , powodując lizę komórek. Zdolność do syntezy pęcherzyków gazowych jest jedną z wielu strategii, które pozwalają organizmom halofilnym tolerować środowiska o wysokiej zawartości soli.
Ewolucja
Pęcherzyki gazowe są prawdopodobnie jednym z najwcześniejszych mechanizmów ruchliwości wśród mikroskopijnych organizmów, ponieważ jest to najbardziej rozpowszechniona forma ruchliwości zachowana w genomie prokariontów, z których niektóre wyewoluowały około 3 miliardów lat temu. Tryby aktywnej ruchliwości, takie jak ruch wici, wymagają mechanizmu, który mógłby przekształcać energię chemiczną w energię mechaniczną, a zatem jest znacznie bardziej złożony i wyewoluował później. Funkcje pęcherzyków gazowych są również w dużej mierze zachowane wśród gatunków, chociaż sposób regulacji może się różnić, co sugeruje znaczenie pęcherzyków gazowych jako formy ruchliwości. W niektórych organizmach, takich jak Enterobacterium Serratia sp. Ruchliwość oparta na wici i wytwarzanie pęcherzyków gazowych są regulowane przeciwnie przez pojedyncze białko wiążące RNA, RsmA, co sugeruje alternatywne sposoby adaptacji środowiskowej, które rozwinęłyby się w różne taksony poprzez regulację rozwoju między ruchliwością a flotacją.
Chociaż istnieją dowody sugerujące wczesną ewolucję pęcherzyków gazowych, transfer plazmidu służy jako alternatywne wyjaśnienie powszechnego i konserwatywnego charakteru organelli. Rozszczepienie plazmidu w Halobacterium halobium spowodowało utratę zdolności do biosyntezy pęcherzyków gazowych, co wskazuje na możliwość horyzontalnego transferu genów , co mogłoby skutkować przeniesieniem zdolności do wytwarzania pęcherzyków gazowych pomiędzy różnymi szczepami bakterii.
Struktura
Pęcherzyki gazowe są na ogół w kształcie cytryny lub cylindrycznymi, pustymi rurkami białkowymi ze stożkowymi nakrętkami na obu końcach. Pęcherzyki różnią się najbardziej średnicą. Większe pęcherzyki mogą pomieścić więcej powietrza i zużywać mniej białka, co czyni je najbardziej ekonomicznymi pod względem wykorzystania zasobów, jednak im większy pęcherzyk, tym strukturalnie słabszy jest pod ciśnieniem i tym mniejsze ciśnienie jest wymagane, zanim pęcherzyk się rozpadnie. Organizmy wyewoluowały, aby być najbardziej wydajnym przy użyciu białka i wykorzystywać największą maksymalną średnicę pęcherzyka, która wytrzyma ciśnienie, na jakie może być wystawiony organizm. Aby dobór naturalny wpłynął na pęcherzyki gazowe, średnica pęcherzyków musi być kontrolowana przez genetykę. Chociaż geny kodujące pęcherzyki gazowe znajdują się u wielu gatunków haloarchaea , produkuje je tylko kilka gatunków. Pierwszy gen pęcherzyków gazu Haloarchaeal, GvpA, został sklonowany z Halobacterium sp. NRC-1. 14 genów bierze udział w tworzeniu pęcherzyków gazowych w haloarchaea.
Pierwszy gen pęcherzyków gazowych, GvpA, został zidentyfikowany w Calothrix. Istnieją co najmniej dwa białka, które tworzą pęcherzyk gazowy sinic: GvpA i GvpC. GvpA tworzy żebra i znaczną część masy (do 90%) głównej struktury. GvpA jest silnie hydrofobowy i może być jednym z najbardziej hydrofobowych znanych białek. GvpC jest hydrofilowy i pomaga stabilizować strukturę poprzez okresowe inkluzje w żebra GvpA. GvpC może zostać wypłukany z pęcherzyka, co powoduje zmniejszenie siły pęcherzyka. Grubość ścianki pęcherzyka może wynosić od 1,8 do 2,8 nm. Żebrowana struktura pęcherzyka jest widoczna zarówno na wewnętrznej, jak i zewnętrznej powierzchni z odstępami między żebrami 4–5 nm. Pęcherzyki mogą mieć długość 100–1400 nm i średnicę 45–120 nm.
W obrębie gatunku rozmiary pęcherzyków gazowych są względnie jednolite z odchyleniem standardowym ±4%.
Wzrost
Wydaje się, że pęcherzyki gazowe zaczynają swoje istnienie jako małe, dwustożkowe (dwa stożki połączone ze sobą płaskimi podstawami), które powiększają się do określonej średnicy, a następnie rosną i rozszerzają swoją długość. Nie wiadomo dokładnie, co kontroluje średnicę, ale może to być cząsteczka zakłócająca GvpA lub kształt GvpA może się zmienić.
Rozporządzenie
Tworzenie pęcherzyków gazowych jest regulowane przez dwa białka Gvp: GvpD, który hamuje ekspresję białek GvpA i GvpC oraz GvpE, który indukuje ekspresję. Pozakomórkowe czynniki środowiskowe również wpływają na tworzenie pęcherzyków, regulując produkcję białka Gvp lub bezpośrednio zaburzając strukturę pęcherzyka.
Natężenie światła
Stwierdzono, że natężenie światła wpływa na wytwarzanie i utrzymanie pęcherzyków gazowych w różny sposób u różnych bakterii i archeonów. W przypadku Anabaena flos-aquae wyższa intensywność światła prowadzi do zapadania się pęcherzyków w wyniku wzrostu ciśnienia turgoru i większej akumulacji produktów fotosyntezy. W sinicach wytwarzanie pęcherzyków zmniejsza się przy dużym natężeniu światła z powodu ekspozycji powierzchni bakterii na promieniowanie UV, które może uszkodzić genom bakterii.
Węglowodany
Stwierdzono, że akumulacja glukozy, maltozy lub sacharozy w Haloferax mediterranei i Haloferax volcanii hamuje ekspresję białek GvpA, a tym samym zmniejsza wytwarzanie pęcherzyków gazowych. Jednak miało to miejsce tylko we wczesnej fazie wzrostu wykładniczego komórki. Tworzenie pęcherzyków może być również indukowane przez obniżanie pozakomórkowych stężeń glukozy.
Tlen
Stwierdzono, że brak tlenu ma negatywny wpływ na tworzenie pęcherzyków gazowych w archeonach halofilnych. Halobacterium salinarum wytwarza niewiele pęcherzyków lub nie wytwarza ich wcale w warunkach beztlenowych ze względu na zmniejszoną syntezę transkryptów mRNA kodujących białka Gvp. H. mediterranei i H. volcanii nie wytwarzają żadnych pęcherzyków w warunkach beztlenowych ze względu na spadek zsyntetyzowanych transkryptów kodujących GvpA i skróconych transkryptów wyrażających GvpD.
pH
Stwierdzono, że zwiększone zewnątrzkomórkowe poziomy pH zwiększają tworzenie pęcherzyków u gatunków Microcytis. Przy podwyższonym pH poziomy transkryptów gvpA i gvpC wzrastają, umożliwiając większą ekspozycję na rybosomy w celu ekspresji i prowadząc do regulacji w górę białek Gvp. Można to przypisać większej transkrypcji tych genów, zmniejszonemu rozpadowi zsyntetyzowanych transkryptów lub większej stabilności mRNA.
Promieniowanie ultradźwiękowe
Stwierdzono, że promieniowanie ultradźwiękowe o określonych częstotliwościach powoduje zapadanie się pęcherzyków gazowych w sinicach Spirulina platensis , zapobiegając ich kwitnieniu.
Quorum sensing
W enterobakterii; Serratia sp. szczep ATCC39006 , pęcherzyk gazowy jest wytwarzany tylko wtedy, gdy występuje wystarczające stężenie cząsteczki sygnalizacyjnej, N-acylohomoseryny laktonu. W tym przypadku cząsteczka quorum sensing , N-acylohomoseryna lakton, działa jako morfogen inicjujący rozwój organelli. Jest to korzystne dla organizmu, ponieważ zasoby do wytwarzania pęcherzyków gazowych są wykorzystywane tylko wtedy, gdy występuje ograniczenie tlenu spowodowane wzrostem populacji bakterii.
Rola w rozwoju szczepionek
Gen pęcherzyków gazowych gvp C z Halobacterium sp. jest stosowany jako system dostarczania do badań szczepionek.
Kilka cech charakterystycznych białka kodowanego przez gen pęcherzyków gazowych gvp C pozwala na zastosowanie go jako nośnika i adiuwanta dla antygenów: jest stabilne, odporne na degradację biologiczną, toleruje stosunkowo wysokie temperatury (do 50 °C) i jest niepatogenne dla ludzi. Kilka antygenów z różnych ludzkich patogenów zostało zrekombinowanych z genem gvp C w celu stworzenia szczepionek podjednostkowych o długotrwałych odpowiedziach immunologicznych.
Różne segmenty genomowe kodujące kilka białek patogenu Chlamydia trachomatis , w tym MOMP, OmcB i PompD, są połączone z genem gvp C Halobacteria . Oceny komórek in vitro wykazują ekspresję genów Chlamydia na powierzchni komórek za pomocą technik obrazowania i wykazują charakterystyczne odpowiedzi immunologiczne, takie jak aktywność TLR i wytwarzanie cytokin prozapalnych. Gen pęcherzyka gazowego może być wykorzystany jako nośnik dostarczający do wygenerowania potencjalnej szczepionki przeciwko Chlamydii. Ograniczenia tego sposobu obejmują potrzebę, aby zminimalizować uszkodzenie białka, a tym samym GVPC tyle szczepionki docelowego genu do gvp segmentu C genów.
W podobnym eksperymencie wykorzystano ten sam gen pęcherzyków gazowych i sekrecyjne białko efektorowe fosforanu inozyny SopB4 i SopB5 patogenu Salmonella enterica , aby wygenerować potencjalny wektor szczepionki. Immunizowane myszy wydzielają prozapalne cytokiny IFN-γ, IL-2 i IL-9. Wykryto również przeciwciało IgG. Po prowokacji infekcji w pobranych narządach, takich jak śledziona i wątroba, nie znaleziono żadnej lub znacznie mniej bakterii. Potencjalne szczepionki wykorzystujące pęcherzyk gazowy jako prezentację antygenu można podawać drogą śluzówkową jako alternatywną drogę podawania, zwiększając jej dostępność dla większej liczby osób i wywołując szerszy zakres odpowiedzi immunologicznych w organizmie.
Rola środków kontrastowych i genów reporterowych
Pęcherzyki gazowe mają kilka właściwości fizycznych, które sprawiają, że są widoczne w różnych metodach obrazowania medycznego . Zdolność pęcherzyków gazowych do rozpraszania światła była wykorzystywana od dziesięcioleci do szacowania ich stężenia i pomiaru ciśnienia zapadania się. Optyczny kontrast pęcherzyków gazowych umożliwia im również służenie jako środki kontrastowe w optycznej tomografii koherentnej , mającej zastosowanie w okulistyce . Różnica w impedancji akustycznej między gazem w ich rdzeniach a otaczającym płynem daje pęcherzykom gazowym silny kontrast akustyczny. Co więcej, zdolność niektórych otoczek pęcherzyków gazowych do wyginania się generuje harmoniczne echa ultradźwiękowe, które poprawiają stosunek kontrastu do tkanki. Pęcherzyki gazowe można wreszcie wykorzystać jako środki kontrastowe do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), opierając się na różnicy między podatnością magnetyczną powietrza i wody. Zdolność do nieinwazyjnego zapadania się pęcherzyków gazowych za pomocą fal ciśnienia zapewnia mechanizm wymazywania ich sygnału i poprawiania kontrastu. Odejmowanie obrazów przed i po zapadnięciu akustycznym może wyeliminować sygnały tła, zwiększając wykrywanie pęcherzyków gazowych.
Heterologiczna ekspresja pęcherzyków gazowych w komórkach bakterii i ssaków umożliwiła ich wykorzystanie jako pierwszej rodziny genów reporterowych akustycznych . Podczas gdy fluorescencyjne geny reporterowe, takie jak białko zielonej fluorescencji (GFP), miały szerokie zastosowanie w biologii, ich zastosowania in vivo są ograniczone głębokością penetracji światła w tkance, zwykle kilku mm. Luminescencja może być wykryta głębiej w tkance, ale ma niską rozdzielczość przestrzenną. Akustyczne geny reporterowe zapewniają submilimetrową rozdzielczość przestrzenną i głębokość penetracji wynoszącą kilka centymetrów, umożliwiając badanie in vivo procesów biologicznych głęboko w tkance.