Novi biosenzor koji su konstruisali istraživači Penn State-a nudi naučnicima prve dinamičke poglede na mangan, neuhvatljivi metalni jon koji je neophodan za život.
Istraživači su konstruisali senzor od prirodnog proteina zvanog lanmodulin, koji vezuje retke zemne elemente sa visokom selektivnošću, a otkrili su ga pre 5 godina neki od istraživača Penn State uključenih u ovu studiju.
Bili su u stanju da genetski reprogramiraju protein da favorizuju mangan u odnosu na druge uobičajene prelazne metale kao što su gvožđe i bakar, što prkosi trendovima uočenim kod većine molekula koji vezuju prelazne metale.
Senzor bi mogao imati široku primenu u biotehnologiji kako bi unapredio razumevanje fotosinteze, interakcija domaćin-patogen i neurobiologije. Takođe bi se potencijalno moglo generalnije primeniti za procese kao što je odvajanje komponenti prelaznih metala (mangan, kobalt i nikl) u reciklaži litijum-jonskih baterija.
Tim je nedavno objavio svoje nalaze u Proceedings of the National Academi of Sciences.
„Verujemo da je ovo prvi senzor koji je dovoljno selektivan za mangan za detaljna proučavanja ovog metala u biološkim sistemima“, rekla je Dženifer Park, postdiplomac na Penn Stejtu i glavni autor rada. „Koristili smo ga – i videli dinamiku kako mangan dolazi i odlazi u živom sistemu, što ranije nije bilo moguće.“
Ona je objasnila da je tim bio u mogućnosti da prati ponašanje mangana unutar bakterija i da sada radi na projektovanju još čvršćih senzora vezivanja kako bi potencijalno proučili kako metal funkcioniše u sistemima sisara.
Poput gvožđa, bakra i cinka, mangan je esencijalni metal za biljke i životinje. Njegova funkcija je da aktivira enzime — molekule sa vitalnim poslovima u živim sistemima. Na primer, mangan je ključna komponenta fotosintetskog procesa u biljkama – mangan je prisutan na mestu gde se voda pretvara u kiseonik koji je u srcu fotosinteze.
Kod ljudi, mangan je povezan sa neuralnim razvojem. Akumulacija viška mangana u mozgu izaziva motornu bolest nalik Parkinsonovom, dok je smanjen nivo mangana primećen u vezi sa Hantingtonovom bolešću, objasnili su istraživači.
Međutim, naučno razumevanje mangana zaostaje za onim o drugim esencijalnim metalima, delom zbog nedostatka tehnika za vizuelizaciju njegove koncentracije, lokalizacije i kretanja unutar ćelija. Novi senzor otvara vrata za sve vrste novih istraživanja, objasnio je Džozef Kotruvo, vanredni profesor hemije na Penn State-u i viši autor rada.
„Postoji toliko potencijalnih aplikacija za ovaj senzor“, rekao je Cotruvo. „Lično, posebno sam zainteresovan da vidim kako mangan reaguje sa patogenima.
On je objasnio da telo naporno radi na ograničavanju gvožđa koje je većini bakterijskih patogena potrebno za preživljavanje, pa se ti patogeni umesto toga pretvaraju u mangan.
„Znamo da postoji natezanje za vitalne metale između imunog sistema i ovih invazivnih patogena, ali nismo bili u mogućnosti da u potpunosti razumemo ovu dinamiku, jer nismo mogli da ih vidimo u realnom vremenu“, rekao je on. , dodajući da sa novim mogućnostima za vizuelizaciju procesa, istraživači imaju alate za potencijalno razvoj novih ciljeva lekova za niz infekcija za koje se pojavila rezistencija na uobičajene antibiotike, poput stafilokoka (MRSA).
Dizajniranje proteina da se vezuju za određene metale je suštinski težak problem, objasnio je Cotruvo, jer postoji toliko sličnosti između prelaznih metala prisutnih u ćelijama. Kao rezultat toga, došlo je do nedostatka hemijskih bioloških alata pomoću kojih bi se proučavala fiziologija mangana u živim ćelijama.
„Pitanje za nas je bilo da li možemo da konstruišemo protein da se vezuje samo za jednu stvar, jon mangana, čak i u prisustvu ogromnog viška drugih stvari koje izgledaju slično, poput jona kalcijuma, magnezijuma, gvožđa i cinka? “ rekao je Cotruvo. „Ono što smo morali da uradimo je da stvorimo mesto vezivanja raspoređeno na pravi način, tako da je ova proteinska veza bila stabilnija u manganu nego bilo koji drugi metal.“
Pošto je uspešno pokazao da je lanmodulin sposoban za takav zadatak, tim sada planira da ga koristi kao skelu iz koje će evoluirati druge vrste bioloških alata za otkrivanje i oporavak mnogih različitih metalnih jona koji imaju biološki i tehnološki značaj.
„Ako možete da otkrijete načine da razlikujete veoma slične metale, to je zaista moćno“, rekao je Cotruvo. „Ako možemo da uzmemo lanmodulin i pretvorimo ga u protein koji vezuje mangan, šta onda drugo možemo da uradimo?“
