由宾夕法尼亚州立大学研究人员设计的新型生物传感器为科学家们提供了锰的第一个动态一瞥，锰是一种难以捉摸的金属离子，对生命至关重要。
研究人员用一种名为lanmodulin的天然蛋白质设计了传感器 ，它以高选择性结合稀土元素，5 年前由参与本研究的宾夕法尼亚州立大学的一些研究人员发现。
他们能够对蛋白质进行基因重新编程，使锰比铁和铜等其他常见过渡金属更受欢迎，这与大多数过渡金属结合分子观察到的趋势背道而驰。
该传感器可以在生物技术中广泛应用，以促进对光合作用、宿主-病原体相互作用和神经生物学的理解。它还可能更广泛地应用于锂离子电池回收过程中过渡金属成分(锰、钴和镍)的分离等过程。
该小组最近在 国家科学院院刊上发表了他们的发现。
“我们相信这是第一个对锰具有足够选择性的传感器，可以在生物系统中详细研究这种金属，”宾夕法尼亚州立大学的研究生、该论文的第一作者詹妮弗帕克说。“我们已经使用过它——并且看到了锰在生命系统中进出的动态，这在以前是不可能的。”
她解释说，该团队能够监测细菌内锰的行为，现在正致力于设计结合更紧密的传感器，以研究这种金属在哺乳动物系统中的作用。
与铁、铜和锌一样，锰是植物和动物必不可少的金属。它的功能是激活酶——在生命系统中具有重要作用的分子。例如，锰是植物光合作用过程的关键组成部分——锰存在于水转化为光合作用核心氧气的位置。在人类中，锰与神经发育有关。研究人员解释说，大脑中过量锰的积累会诱发帕金森样运动病，而锰水平降低与亨廷顿氏病有关。
然而，对锰的科学理解落后于其他必需金属，部分原因是缺乏可视化细胞内锰浓度、定位和运动的技术。宾夕法尼亚州立大学化学副教授、该论文的资深作者 Joseph Cotruvo 解释说，这种新传感器为各种新研究打开了大门。
“这种传感器有很多潜在的应用，”Cotruvo 说。“就我个人而言，我对锰如何与病原体相互作用特别感兴趣。”
他解释说，身体努力限制大多数细菌病原体生存所需的铁，因此这些病原体转而转向锰。
“我们知道免疫系统和这些入侵的病原体之间存在着争夺重要金属的拉锯战，但我们无法完全了解这些动态，因为我们无法实时看到它们，”他说, 并补充说，有了可视化过程的新功能，研究人员就有了潜在的工具来开发新的药物靶点，用于针对对常见抗生素(如葡萄球菌 (MRSA))出现耐药性的一系列感染。
Cotruvo 解释说，设计与特定金属结合的蛋白质本质上是一个难题，因为细胞中存在的过渡金属之间有很多相似之处。因此，一直缺乏用于研究活细胞中锰生理学的化学生物学工具。
“我们面临的问题是，我们能否设计一种蛋白质，使其仅与一种物质结合，即锰离子，即使存在大量其他看起来非常相似的物质，如钙、镁、铁和锌离子? ” 科特鲁沃说。“我们必须做的是创建一个以正确方式排列的结合位点，这样这种蛋白质键在锰中比任何其他金属都更稳定。”
在成功证明 lanmodulin 能够完成这样的任务后，该团队现在计划将其用作支架，从中进化出其他类型的生物工具，用于感测和回收许多具有生物学和技术重要性的不同金属离子。
“如果你能想出区分非常相似的金属的方法，那真的很强大，”Cotruvo 说。“如果我们可以服用 lanmodulin 并将其转化为锰结合蛋白，那么我们还能做什么?”
该论文的其他合著者是宾夕法尼亚州立大学的 Joseph Mattocks 和 Jiansong Xu;麻省总医院和哈佛医学院的 Michael Cleary、Huan Wang 和 Eric Gale;德克萨斯大学奥斯汀分校的 Danyang Li 和 Somshuvra Mukhopadhyay。
国立卫生研究院和宾夕法尼亚州立大学的启动资金支持这项工作。
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