12 МАРТА 2023 Г.
Исследователи из Пенсильванского университета разработали новый биосенсор, который предоставляет ученым первые динамические изображения марганца, неуловимого иона металла, необходимого для жизни.
Исследователи создали датчик, используя природный белок под названием ланмодулин, который обладает способностью связывать редкоземельные элементы с поразительной точностью. Этот белок был обнаружен пять лет назад некоторыми из тех же исследователей из Пенсильванского университета, которые участвуют в представленном исследовании.
Они смогли генетически перепрограммировать белок в пользу марганца по сравнению с другими распространенными переходными металлами, такими как железо и медь, что противоречит тенденциям, наблюдаемым с большинством молекул, связывающих переходные металлы.
Датчик может иметь широкое применение в биотехнологии для улучшения понимания фотосинтеза, взаимодействия хозяина и патогена и нейробиологии. Он также может быть потенциально применен 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 результаты в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ядерный магнитный резонанс показывает структуру природного белка под названием ланмодулин, который с высокой селективностью связывает редкоземельные элементы и был обнаружен 5 лет назад исследователями из Пенсильванского университета. Исследователи недавно генетически перепрограммировали белок, чтобы он предпочитал марганец другим распространенным переходным металлам, таким как железо и медь. Фото: Cotruvo Lab / Penn State
“Мы считаем, что это первый датчик, который достаточно селективен для марганца для детального изучения этого металла в биологических системах”, - сказала Дженнифер Парк, аспирантка Пенсильванского университета и ведущий автор статьи. “Мы использовали его — и увидели динамику того, как марганец поступает и уходит в живой системе, что раньше было невозможно”.
Она объяснила, что команда смогла отслеживать поведение марганца в бактериях и сейчас работает над созданием еще более прочных датчиков, чтобы потенциально изучить, как металл работает в системах млекопитающих.
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 в растениях — марганец присутствует в месте, где вода превращается в кислород, который лежит в основе фотосинтеза. У людей марганец связан с развитием нервной системы. Исследователи объяснили, что накопление избытка марганца в мозге вызывает двигательное заболевание, подобное паркинсонизму, в то время как снижение уровня марганца наблюдалось в связи с болезнью Хантингтона.
Однако научное понимание марганца отстает от понимания других важных металлов, отчасти из-за отсутствия методов визуализации его концентрации, локализации и перемещения внутри клеток. Новый датчик открывает двери для всех видов новых исследований, объяснил Джозеф Котруво, доцент кафедры химии Пенсильванского университета и старший автор статьи.
“У этого датчика так много потенциальных применений”, ’ сказал Котруво. “Лично мне особенно интересно посмотреть, как марганец взаимодействует с патогенами”.
Он объяснил, что организм усердно работает, чтобы ограничить железо, необходимое большинству бактериальных патогенов для выживания, и поэтому эти патогены вместо этого превращаются в марганец.
“Мы знаем, что между иммунной системой и этими вторгающимися патогенами идет борьба за жизненно важные металлы, но мы не смогли полностью понять эту динамику, потому что мы не могли видеть их в режиме реального времени”, - сказал он, добавив, что с новыми возможностями визуализации процесса,у исследователей есть инструменты для потенциальной разработки новых лекарств-мишеней для ряда инфекций, для которых возникла устойчивость к обычным антибиотикам, таким как стафилококк (MRSA).
Котруво объяснил, что разработка белков для связывания с определенными металлами является по своей сути сложной проблемой, потому что существует так много сходства между переходными металлами, присутствующими в клетках. В результате не хватает инструментов химической биологии для изучения физиологии марганца в живых клетках.
“Вопрос для нас заключался в том, можем ли мы сконструировать белок, который связывается только с одним веществом, ионом марганца, даже в присутствии огромного избытка других очень похожих на вид веществ, таких как ионы кальция, магния, железа и цинка?” Сказал Котруво. “Что нам нужно было сделать, так это создать сайт связывания, расположенный правильным образом, 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 многих различных ионов металлов, которые имеют биологическое и технологическое значение.
“Если вы сможете найти способы различать очень похожие металлы, это действительно мощно”, ’ сказал Котруво. “Если мы можем взять ланмодулин и превратить его в марганецсвязывающий белок, то что еще мы можем сделать?”
Ссылка: “Генетически закодированный флуоресцентный датчик марганца (II), разработанный из ланмодулина” Дженнифер Парк, Майкл Б. Клири, Даньянг Ли, Джозеф А. Мэттокс, Цзянсун Сюй, Хуан Ван, Сомшувра Мукопадхьяй, Эрик М. Гейл и Джозеф А. Котруво-младший, 12 декабря 2022 года, Труды Национальной академиинаук.
DOI: 10.1073 /pnas.2212723119