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Forming magnetic chain with the help of biological organisms

Die Bildung magnetischer Kettenstrukturen mit Hilfe biologischer Organismen

  • Magnetite nanoparticles and their assembly comprise a new area of development for new technologies. The magnetic particles can interact and assemble in chains or networks. Magnetotactic bacteria are one of the most interesting microorganisms, in which the assembly of nanoparticles occurs. These microorganisms are a heterogeneous group of gram negative prokaryotes, which all show the production of special magnetic organelles called magnetosomes, consisting of a magnetic nanoparticle, either magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4), embedded in a membrane. The chain is assembled along an actin-like scaffold made of MamK protein, which makes the magnetosomes to arrange in mechanically stable chains. The chains work as a compass needle in order to allow cells to orient and swim along the magnetic field of the Earth. The formation of magnetosomes is known to be controlled at the molecular level. The physico–chemical conditions of the surrounding environment also influence biomineralization. The work presented in this manuscript aims toMagnetite nanoparticles and their assembly comprise a new area of development for new technologies. The magnetic particles can interact and assemble in chains or networks. Magnetotactic bacteria are one of the most interesting microorganisms, in which the assembly of nanoparticles occurs. These microorganisms are a heterogeneous group of gram negative prokaryotes, which all show the production of special magnetic organelles called magnetosomes, consisting of a magnetic nanoparticle, either magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4), embedded in a membrane. The chain is assembled along an actin-like scaffold made of MamK protein, which makes the magnetosomes to arrange in mechanically stable chains. The chains work as a compass needle in order to allow cells to orient and swim along the magnetic field of the Earth. The formation of magnetosomes is known to be controlled at the molecular level. The physico–chemical conditions of the surrounding environment also influence biomineralization. The work presented in this manuscript aims to understand how such external conditions, in particular the extracellular oxidation reduction potential (ORP) influence magnetite formation in the strain Magnetospirillum magneticum AMB-1. A controlled cultivation of the microorganism was developed in a bioreactor and the formation of magnetosomes was characterized. Different techniques have been applied in order to characterize the amount of iron taken up by the bacteria and in consequence the size of magnetosomes produced at different ORP conditions. By comparison of iron uptake, morphology of bacteria, size and amount of magnetosomes per cell at different ORP, the formation of magnetosomes was inhibited at ORP 0 mV, whereas reduced conditions, ORP – 500 mV facilitate biomineralization process. Self-assembly of magnetosomes occurring in magnetotactic bacteria became an inspiration to learn from nature and to construct nanoparticles assemblies by using the bacteriophage M13 as a template. The M13 bacteriophage is an 800 nm long filament with encapsulated single-stranded DNA that has been recently used as a scaffold for nanoparticle assembly. I constructed two types of assemblies based on bacteriophages and magnetic nanoparticles. A chain – like assembly was first formed where magnetite nanoparticles are attached along the phage filament. A sperm – like construct was also built with a magnetic head and a tail formed by phage filament. The controlled assembly of magnetite nanoparticles on the phage template was possible due to two different mechanism of nanoparticle assembly. The first one was based on the electrostatic interactions between positively charged polyethylenimine coated magnetite nanoparticles and negatively charged phages. The second phage –nanoparticle assembly was achieved by bioengineered recognition sites. A mCherry protein is displayed on the phage and is was used as a linker to a red binding nanobody (RBP) that is fused to the one of the proteins surrounding the magnetite crystal of a magnetosome. Both assemblies were actuated in water by an external magnetic field showing their swimming behavior and potentially enabling further usage of such structures for medical applications. The speed of the phage - nanoparticles assemblies are relatively slow when compared to those of microswimmers previously published. However, only the largest phage-magnetite assemblies could be imaged and it is therefore still unclear how fast these structures can be in their smaller version.show moreshow less
  • Magnetit-Nanopartikel (Fe3O4) und deren Anordnungen umfassen einen neuen Bereich in der Entwicklung neuer Technologien. Diese magnetischen Teilcheninteragieren miteinander und unter bestimmten Umständen lassen sie sich in Ketten anordnen. Magnetotaktische Bakterien stellen eine Gruppeinteressanter Mikroorganismen dar, in welchen ebendiese kettenförmige Anordnung von Nanopartikeln vorkommt. Diese Mikroorgansimen gehören zu einer heterogenen Gruppe an Gram negativen Prokaryoten, welche die Produktion von speziellen magnetischen Organellen, den sogenannten Magnetosomen, aufweist. Die Magnetosomen bestehen entweder aus Magnetit- oder Greigit (Fe3S4)- Nanopartikeln, welche in einer Membran eingebettet sind. Die Kette ist entlang eines Aktin ähnlichen Gerüstes angeordnet, welches aus dem Protein MamK besteht und dafür verantwortlich ist, dass sich die Magnetosomen in mechanisch stabilen Ketten arrangieren können. Diese Ketten fungieren als Kompass Nadeln und ermöglichen es den Zellen sich entlang des Magnetfeldes der Erde zuorientieren. EsMagnetit-Nanopartikel (Fe3O4) und deren Anordnungen umfassen einen neuen Bereich in der Entwicklung neuer Technologien. Diese magnetischen Teilcheninteragieren miteinander und unter bestimmten Umständen lassen sie sich in Ketten anordnen. Magnetotaktische Bakterien stellen eine Gruppeinteressanter Mikroorganismen dar, in welchen ebendiese kettenförmige Anordnung von Nanopartikeln vorkommt. Diese Mikroorgansimen gehören zu einer heterogenen Gruppe an Gram negativen Prokaryoten, welche die Produktion von speziellen magnetischen Organellen, den sogenannten Magnetosomen, aufweist. Die Magnetosomen bestehen entweder aus Magnetit- oder Greigit (Fe3S4)- Nanopartikeln, welche in einer Membran eingebettet sind. Die Kette ist entlang eines Aktin ähnlichen Gerüstes angeordnet, welches aus dem Protein MamK besteht und dafür verantwortlich ist, dass sich die Magnetosomen in mechanisch stabilen Ketten arrangieren können. Diese Ketten fungieren als Kompass Nadeln und ermöglichen es den Zellen sich entlang des Magnetfeldes der Erde zuorientieren. Es ist bekannt, dass die Bildung der Magnetosomen auf molekularer Ebene kontrolliert wird. Die physiko-chemischen Bedingungen der direkten Umgebung beeinflussen die Biomineralisierung. Die in diesem Manuskript vorgestellte Arbeit setzt sich zum Ziel, die äußeren Bedingungen, im Speziellen der Einfluss des extrazellulären Oxidations- und Reduktions-Potentials (ORP) auf die Magnetit Bildung im Bakterienstamm Magnetospirillum magneticum AMB-1 besser zu verstehen. Eine kontrollierte Anzucht des Mikroorganismus wurde im Bioreaktor entwickelt und die Magnetosomenbildung wurden charakterisiert. Unter verschiedenen ORP-Bedingungen wurde untersucht, wieviel Eisen von den Bakterien aufgenommen wird und welche Auswirkungen das auf die Zahl und Größe der Magnetosomen hat. Untersucht man die Parameter Eisenaufnahme, Morphologie der Bakterien, Größe und Menge der Magnetosomen pro Zelle kommt man zu dem Schluss, dass die Magnetosomenbildung bei einem ORP von 0 mV inhibiert wird, wobei reduzierende Bedingungen bei einem ORP von -500 mV den Biomineralisationsprozess fördern. Inspiriert von der Fähigkeit der Selbstorganisation von Magnetosomen in MTB wurde versucht Nanopartikel-Anordnungen mit Hilfe des Bakteriophagen M13 als Vorlage zu konstruieren. Der Bakteriophage M13 ist ein 800 nm langes Filament mit eingekapselter einzelsträngiger DNA und wurde schon zuvor als Gerüst für Nanopartikel-Konstrukte verwendet. Ich habe zwei Typen von Anordnungen basierend auf Bakteriophagen und magnetischen Nanopartikeln konstruiert. Es wurde eine kettenartige Struktur, an der magnetische Nanopartikel entlang eines Phagenfilamentes angebracht sind und ein spermienähnliches Konstrukt mit einem magnetischen Kopf und einem Phagenfilament als Schwanz, entwickelt. Um eine kontrollierte Anordnung von Magnetit-Nanopartikeln an den Phagen zu ermöglichen, wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Der erste basierte auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den mit positiv geladenem Polyethylenimin dekorierten Magnetit-Nanopartikeln und den negativ geladenen Phagen. Das zweite Phagen-Nanopartikel-Konstrukt wurde mit Hilfe von biologisch veränderten Erkennungsseiten hergestellt. Die Phagen weisen ein mCherry Protein auf, welches als Verbindungsstück für den red binding nanobody (RBP) verwendet wurde. Dieser wurde mit einem der Proteine fusioniert, welches die Magnetit Kristalle der Magnetosomen umhüllt. Beide Konstrukte wurden mit Hilfe eines externen Magnetfeldes im Wasser angeregt, wobei sich ihr Schwimmverhalten und das Potential für medizinische Anwendungen dieser Strukturen zeigten. Die Geschwindigkeit der Phagen-Nanopartikel-Konstrukte war im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Mikroschwimmern relativ langsam. Es konnten jedoch nur die größten Phagen-Magnetit-Konstrukte visualisiert werden, wodurch die Geschwindigkeit der kleineren Versionen dieser Strukturen noch unklar bleibt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Agata Olszewska
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89767
Advisor:Katja Maren Arndt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/02/15
Release Date:2016/05/03
Tag:Bakteriophagen; Nanopartikel; magnetite Ketter; magnetotaktische Bakterien
magnetotactic bacteria; nanoparticles; nanoparticles assembly; phages
Pagenumber:101
RVK - Regensburg Classification:WF 9745
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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