Биосенсорное исследование марганца

Марганец — это химический элемент, который обычно встречается в горных породах и почвах. Это твердый, хрупкий металл серо-белого цвета, который часто используется в сталелитейном производстве. Марганец также является важным питательным веществом для людей и животных, играя решающую роль в метаболизме аминокислот, холестерина и углеводов.

Ланмодулин

Исследователи создали датчик с использованием природного белка под названием ланмодулин, который обладает способностью связывать редкоземельные элементы с поразительной точностью. Этот белок был открыт пять лет назад теми же исследователями из штата Пенсильвания, которые участвуют в представленном исследовании.

Они смогли генетически перепрограммировать белок, чтобы отдать предпочтение марганцу по сравнению с другими распространенными переходными металлами, такими как железо и медь, что противоречит тенденциям, наблюдаемым с большинством молекул, связывающих переходные металлы.

Исследователи штата Пенсильвания разработали новый биосенсор, который предоставляет ученым первые динамические изображения марганца, неуловимого иона металла, необходимого для жизни.

Применение датчика в биотехнологии

Датчик может иметь широкое применение в биотехнологии для улучшения понимания фотосинтеза, взаимодействия хозяина и патогена и нейробиологии. Он также потенциально может применяться в более общем плане для таких процессов, как разделение компонентов переходных металлов (марганца, кобальта и никеля) при переработке литий-ионных аккумуляторов.

Команда недавно опубликовала свои выводы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы считаем, что это первый датчик, достаточно селективный к марганцу для детального изучения этого металла в биологических системах», — сказала Дженнифер Парк, аспирант Пенсильванского университета и ведущий автор статьи. «Мы использовали его и увидели динамику того, как марганец приходит и уходит в живой системе, что раньше было невозможно».

Ядерно-магнитный резонанс показывает структуру природного белка под названием ланмодулин, который с высокой селективностью связывает редкоземельные элементы и был открыт 5 лет назад исследователями из Пенсильвании. Исследователи недавно генетически перепрограммировали белок, чтобы отдавать предпочтение марганцу по сравнению с другими распространенными переходными металлами, такими как железо и медь. Предоставлено: Cotruvo Lab/Penn State.

Она объяснила, что команде удалось отслеживать поведение марганца в бактериях, и теперь они работают над созданием еще более прочных датчиков связывания, чтобы потенциально изучить, как металл работает в системах млекопитающих.

Функция марганца

Подобно железу, меди и цинку, марганец является важным металлом для растений и животных. Его функция — активировать ферменты — молекулы, выполняющие жизненно важные функции в живых системах. Например, марганец является ключевым компонентом процесса фотосинтеза у растений — марганец присутствует в месте, где вода превращается в кислород, что лежит в основе фотосинтеза. У людей марганец связан с развитием нервной системы. Исследователи объяснили, что накопление избыточного марганца в мозге вызывает моторное заболевание, подобное паркинсонизму, тогда как снижение уровня марганца наблюдается при болезни Гентингтона.

Однако научное понимание марганца отстает от других основных металлов, отчасти из-за отсутствия методов визуализации его концентрации, локализации и движения внутри клеток.

• «Новый датчик открывает двери для всех видов новых исследований», — пояснил Джозеф Котруво, доцент кафедры химии Университета штата Пенсильвания и старший автор статьи.
• «Есть так много потенциальных применений для этого датчика», — сказал Котруво. «Лично мне особенно интересно посмотреть, как марганец взаимодействует с патогенами».

Он объяснил, что организм усердно работает, чтобы ограничить железо, которое необходимо большинству бактериальных патогенов для выживания, и поэтому эти патогены вместо этого обращаются к марганцу.

• «Мы знаем, что между иммунной системой и этими вторгающимися патогенами идет перетягивание каната за жизненно важные металлы, но мы не смогли полностью понять эту динамику, потому что не могли видеть ее в режиме реального времени», — сказал он. Сказал, добавив, что с новыми возможностями визуализации процесса у исследователей есть инструменты для потенциальной разработки новых мишеней для лекарств для ряда инфекций, для которых возникла устойчивость к обычным антибиотикам, таким как стафилококк (MRSA).

Котруво объяснил, что разработка белков, связывающихся с определенными металлами, является сложной проблемой, потому что между переходными металлами, присутствующими в клетках, очень много общего. В результате не хватало инструментов химической биологии для изучения физиологии марганца в живых клетках.

• «Вопрос для нас заключался в том, можем ли мы создать белок, который будет связываться только с одним веществом, ионом марганца, даже в присутствии огромного избытка других очень похожих веществ, таких как ионы кальция, магния, железа и цинка?» — сказал Котруво.
• «Что нам нужно было сделать, так это создать сайт связывания, организованный правильно, чтобы эта белковая связь была более стабильной в марганце, чем в любом другом металле».

Успешно продемонстрировав, что ланмодулин способен выполнять такую задачу, команда теперь планирует использовать его в качестве основы для разработки других типов биологических инструментов для обнаружения и извлечения множества различных ионов металлов, имеющих биологическое и технологическое значение.

• «Если вы сможете найти способы различать очень похожие металлы, это будет действительно мощно», — сказал Котруво. «Если мы можем взять ланмодулин и превратить его в белок, связывающий марганец, то что еще мы можем сделать?»

Источник

Метки: Биосенсор