[논문 리뷰] Biogenic magnetic nanoparticles in plants

Svitlana Gorobets, Oksana Gorobets외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 22.

Magnetic and Electromagnetic Effects참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 원자력 및 자기력 모드의 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 담배, 감자, broad bean 식물에서 생체 유래 자기 나노입자(BMNs)를 규명하였으며, 이들이 뿌리줄기의 수피관 벽에 체인 형태로 국소화되어 있음을 밝혀냈다. 저자들은 이러한 BMNs가 약 수천 Oe 정도의 잔류 자기장을 생성하여 세포막 근처의 질량 이동을 향상시킨다고 제안하며, 인공 흑철석을 첨가하면 이 효과가 더욱 증가함을 보여, 이는 식물의 수분계에서 보존되는 대사적 기능을 시사한다.

ABSTRACT

The genetic programming of biosynthesis of biogenic magnetic nanoparticles (BMNs) in plants was revealed by methods of comparative genomics. The samples of leaves and the root of Nicotiana tabacum, the stems and tubers of Solanum tuberosum and the stems of pea Pisum sativum were examined by scanning probe microscopy (in atomic force and magnetic power modes), and it was found that the BMNs are located in the form of chains in the wall of the phloem sieve tubes (ie, the vascular tissue of plants). Such a localization of BMNs supports the idea that the chains of BMNs in different organs of plants have common metabolic functions. Stray gradient magnetic fields about several thousand Oe, which are created by chains of BMNs, can significantly affect the processes of mass transfer near the membrane of vesicles, granules, organelles, structural elements of the membrane, and others. This process is enhanced in plants when artificial magnetite is added to the soil.

연구 동기 및 목표

• 다양한 식물 종에서 생체 유래 자기 나노입자(BMNs)의 존재 및 구조적 특성을 조사하기 위해.
• 고급 현미경 기술을 활용하여 식물 수분조직 내 BMNs의 세포내 국소화를 규명하기 위해.
• 특히 식물 세포 내 질량 이동 과정과 관련된 BMNs의 잠재적 대사적 기능을 탐색하기 위해.
• 외재적 흑철석의 식물 세포 운반 메커니즘에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비교 게놈 분석을 통해 식물에서 BMN 생합성의 유전적 기반을 확립하기 위해.

제안 방법

• 식물 조직 내 BMNs를 이미징하기 위해 원자력 및 자기력 모드의 스캐닝 프로브 현미경을 사용하였다.
• 식물에서 BMN 생합성에 기여하는 유전적 프로그래밍을 규명하기 위해 비교 게놈 분석을 적용하였다.
• Nicotiana tabacum, Solanum tuberosum 및 Pisum sativum의 시료를 분석하여 BMN의 존재 및 분포를 조사하였다.
• 관측된 구조적 배열을 바탕으로 BMN 체인에 의해 생성된 자기장 강도를 추정하였다.
• 질량 이동 과정에 미치는 영향을 평가하기 위해 토양에 인공 흑철석을 첨가한 실험을 수행하였다.
• 다양한 식물 기관에서 수집된 BMN 분포 및 자기장 효과 데이터를 종합하고 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 식물의 수분조직 내에서 생체 유래 자기 나노입자(BMNs)는 어디에 국소화되어 있는가?
• RQ2 식물 세포 내에서 체인 형태로 배열된 BMNs의 기능적 역할은 무엇인가?
• RQ3 BMN 체인이 생성하는 자기장은 세포막 근처의 질량 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 외재적 흑철석은 식물의 질량 이동 과정을 향상시킬 수 있으며, 만약 가능하다면 그 방식은 무엇인가?
• RQ5 식물에서 BMN 생합성의 유전적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 생체 유래 자기 나노입자(BMNs)는 Nicotiana tabacum, Solanum tuberosum 및 Pisum sativum의 수피관 벽에서 확인되었다.
• BMNs는 수피관 수분조직의 세포벽 내에서 체인 형태로 배열되어 있음을 발견하였다.
• BMN 체인이 생성하는 잔류 자기장 강도는 약 수천 Oersted(Oe) 수준이다.
• 이 자기장은 당분, 미세소기관 및 세포막 구조 근처의 질량 이동 과정을 향상시킬 것으로 예측된다.
• 토양에 인공 흑철석을 첨가한 결과, 식물 내 질량 이동이 더욱 향상되는 것으로 나타났다.
• 비교 게놈 분석을 통해 식물에서 BMN 생합성에 기여하는 유전적 프로그래밍이 규명되었다.