BIOINFORMATIONAL ANALYSIS OF REVERSIBLE AND IRREVERSIBLE IRON ACCUMULATION IN PROTEOBACTERIA AND ACTINOBACTERIA

Authors

  • S.V. Gorobets Національний технічний університет України «КПІ», факультет біотехнології та біотехніки
  • O. Yu. Gorobets Національний технічний університет України «КПІ», факультет біотехнології та біотехніки
  • I.V. Demyanenko Національний технічний університет України «КПІ», факультет біотехнології та біотехніки
  • O. V. Slyvets Національний технічний університет України «КПІ», факультет біотехнології та біотехніки

Abstract

The representatives of Proteobacteria and Actinobacteria were classified into four groups according to the presence of homologues of Mam-protein magnetotacticum bacteria that provide a synthesis of biogenic magnetic nanoparticles (BMN), and ferritin and/or ferrite-like proteins by methods of bioinformatics analysis. In this work were fnalyzed the following factors that define a particular phenotype in bacteria types Proteobacteria and Actinobacteria: habitat, living conditions, mobility, presence of magnetic phases in the environment, mechanisms of cell-cell interactions. It is shown that BMN may provide magnototaxis, act as factor of specific cell-cell interactions and interactions with paramagnetic components of the environment, to ensure the capture and storage of efficiently paramagnetic and paramagnetic intracellular and externacellular components (granules, vesicles, vacuoles, and micro nanobulbashok etc.), protection of microorganisms cells from excess of iron ions and for patahens and conditional patahens availability of BMN provides protection against the host immune response. Thus the presence of BMN in microorganisms is a factor that increases the likelihood of their survival along with other organisms.

Key word: biogenic magnetic nanoparticles, Proteobacteria and Actinobacteria, ferritine, bioinformatics analysis.

References

Frankel R. B., Blakemore R.P., Wolfe R.S. Magnetite in freshwater magnetotactic bacteria. Science. 1979; 203: 1355–1356.

M.Winklhofer. Biogenic magnetite and magnetic sensitivity in organisms – from magnetic bacteria to pigeons. Magnetodinamics. 2005; 41: 295–304.

Tadashi Matsunaga. Molecular analysis of magnetotactic bacteria and development of functional bacterial magnetic particles for nano-biotechnology. Tadashi Matsunaga, Takeyuki Suzuki, Masayoshi Tanaka, Atsushi Arakaki. Trends Biotechnol. 2007; 25: 182-188.

K. Grünberg. Biochemical and Proteomic Analysis of the Magnetosome Membrane in Magnetospirillum gryphiswaldense. K. Grünberg, E. Müller, A. Otto, etc. Appl Env. Mic.. 2004; 70: 1040–1050.

M. Richter. Comparative Genome Analysis of Four Magnetotactic Bacteria Reveals a Complex Set of Group-Specific Genes Implicated in Magnetosome Biomineralization and Function. M. Richter, M. Kube, D. A. Bazylinski, etc. J Bacteriol. 2007; 189: 4899–4910.

Atsushi Arakaki. Formation of magnetite by bacteria and its application. A. Arakaki, H. Nakazawa, M. Nemoto, T. Mori, T. Matsunaga. J R Soc Interface. 2008; 5: 977–999.

Chin-Yuan Hsu. Magnetoreception System in Honeybees (Apis mellifera). Chin-Yuan Hsu, Fu-Yao Ko, Chia-Wei Li, Kuni Fann, Juh-Tzeng Lue. PLoS ONE. 2007; 4: e395р.

B. A. Maher. Magnetite biomineralization in termites. Proc. R. Soc. Lond. 1998; 265: 733-737.

Chin-Yuan Hsu, Yu-Pei Chan. Identification and Localization of Proteins Associated with Biomineralization in the Iron Deposition Vesicles of Honeybees. PLoS ONE. 2011; 6: e19088р.

Charles G. Cranfield Biogenic magnetite in the nematode Caenorhabditis elegans. Charles G. Cranfield, Adam Dawe, Vassil Karloukovski, Rafal E. Dunin-Borkowski, David de Pomerai and Jon Dobson. Proc. R. Soc. Lond. B (Suppl.). 2004; 271: 436–439.

Mann S. Ultrastructure, morphology and organization of biogenic magnetite from sockeye salmon, Oncorhynchus nerka: Implications for magnetoreception. Mann S., Sparks N.H.C., Walker M.M., Kirschvink J.L. J. Exp. Biol. 1988; 140: 35–49.

Lowenstam H.A. Magnetite in denticle capping in recent chitons. Geol. Soc. 11 Am. Bull. 1973; 2; 435–438.

Walcott C., Gould J.L., Kirschvink J.L. Pigeons have magnets. Science. 1979; 184: 180–182.

Kobayashi A., Yamamoto N., Kirschvink J. Studies of Inorganic Crystals in Biological Tissue: Magnetite in Human Tumor. Reprinted from Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 1997; 44: 294р.

Brem F. Magnetic iron compounds in the human brain: a comparison of tumor and hippocampus tissue. Brem F., Hirt A.M., Winklhofer M., Frei K., Yonekawa Y., Wieser H.-G., Dobson J. J. R. Soc. Interface. 2006; 3: 833–841.

Moos T., Morgan E.H. The metabolism of neuronal iron and its pathogenic role in neurological disease: review. Ann. NY Acad. Sci. 2004; 1012–1014.

Bartzokis G., Tishler T.A. MRI evaluation of basal ganglia ferritin iron and neurotoxicity in Alzheimer's and Huntington's disease. Cell. Molec. Biol. 2000; 46: 821–834.

Lovell M.A, Robertson J.D, Teesdale W.J et al. Copper, iron and zinc in Alzheimer's disease senile plaques. J. Neurol. Sci. 1998; 158: 47–52.

Burdo J.R., Connor J.R. Brain iron uptake and homeostatic mechanisms: an overview. Biometals. 2003; 16: 63–75.

P.P. Grassi-Schultheiss, F. Heller, J. Dobson Analysis of magnetic material in the human heart, spleen and liver. BioMetals. 1997; 10: 351–355.

Kirschvink JL. Ferromagnetic crystals (magnetite) in human tissue. J Exp Biol. 1981; 92: 333-335.

W Beyhum. Magnetic biomineralisation in Huntington's disease transgenic mice. W Beyhum, D Hautot, J Dobson, Q A Pankhurst. Journal of Physics: Conference Series. 2005; 17: 50–53.

Joanna Collingwood, Jon Dobson. Mapping and characterization of iron compounds in Alzheimer’s tissue. Journal of Alzheimer’s Disease. 2006; 10: 215–222.

Kirschvink JL, Tabrah F, Batkin S. Ferromagnetism in two mouse tumors. J Exp Biol. 1982; 101: 321-326.

Franziska Brem. Magnetic iron compounds in the human brain: a comparison of tumour and hippocampal tissue. Franziska Brem, Ann M Hirt, Michael Winklhofer, Karl Frei, Yasuhiro Yonekawa, Heinz-Gregor Wieser, and Jon Dobson. J R Soc Interface. 2006; 3: 833–841.

Gorobets O.Yu., Gorobets S.V., Gorobets Yu.I. Biogenic Magnetic Nanoparticles: Biomineralization in Prokaryotes and Eukaryotes, In Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Third Edition. CRC Press: New York. 2014; 300–306. // DOI: 10.1081/E-ENN3-1200583 Copywrite C 2014 by Taylor & Francis.

Gorobets S.V., Gorobets O.Yu. Functions of biogenic magnetic nanoparticles in organisms. Journal “Functional Materials”. 2012; 19(1): 18-26.

Горобець О.Ю., Горобець С.В., Горобець Ю.І. Біомінералізація внутрішньоклітинних біогенних магнітних наночастинок і їх можливі функції. Наукові вісті НТУУ «КПІ». 2013; 3: 28-33.

Горобець С.В., Горобець О.Ю., Дем’яненко І.В. Феритин та біомінералізація біогенних магнітних наночасток в мікроорганізмах. Наукові вісті НТУУ КПІ. 2013; 3: 34-41.

Горобець С.В. Генетична основа фундаментального механізму біосинтезу наномагнетиту у магнітотаксисних та анаеробних мікроорганізмах. С.В. Горобець, О.Ю. Горобець, Ю.М. Чиж, І.В. Дем’яненко. Науковий Вісник Чернівецького університету. Біологічні системи. 2013; 5(2): 274-280.

Elizabeth C. Theil. Ferritin: At the Crossroads of Iron and Oxygen Metabolism. Journal of Nutrition. 2003; 133: 1549–1553.

Hila Nudelman, Raz Zarivach. Structure prediction of magnetosome-associated proteins. Frontiers in Microbiology. 2014; 5(9): 1-17 .

Гоpобец C.В., Гоpобец О.Ю., Чиж Ю.М., Cивенок Д.В. Магнитодипольное взаимодействие эндогенных магнитных наночастиц с магнитолипосомами при целевой доставке лекарств. Биофизика. 2013; 58(3): 488–494.

Горобець С.В., Горобець О.Ю., Чиж Ю.М., Бутенко К.О. Біомінералізація магнітних наночастинок бактеріальними симбіонтами людини. Медичні перспективи. 2014; 2с.

R.B. Frankel,. Bacterial Magnetotaxis vs Geotaxis. Trans. Am. Geophys. Soc. 1981; 62: 850з.

Годовиков А.А., "Минералогия",M.:"Недра"; 1983.

Красінько В.О. Біологія клітин: Конспект лекцій для студ. спец. 6.092900 "Промислова біотехнологія” та “Біотехнологія біологічно активних речовин “ напряму 0929 "Біотехнологія" ден. та заоч. форм навчання. К.: НУХТ; 2007.

Ryutaro Takahashi. Luminol Chemiluminescence and Active Oxygen Generation by Activated Neutrophils. Ryutaro Takahashi, Keisuke Edashige, Eisuke F. Sato, Masayasu Inoue, Tsuyoshi Matsuno, Kozo Utsumil. Archives of biochemistry and biophysics. 1991; 285(2): 325-330.

Published

2014-12-31

Issue

Section

BIOCHEMISTRY, BIOTECHNOLOGY, MOLECULAR GENETICS