Новый биосенсор раскрывает активность неуловимого металла, необходимого для жизни

Исследователи из Университета Пенсильвании создали новый биосенсор, который впервые позволяет наблюдать в динамике марганец — неуловимый ион металла, необходимый для жизни.

Сенсор был создан на основе природного белка ланмодулина, который с высокой селективностью связывает редкоземельные элементы. Этот белок был открыт той же группой исследователей 5 лет назад. Учёным удалось генетически перепрограммировать белок так, чтобы он предпочитал марганец другим распространённым переходным металлам, таким как железо и медь. Это противоречит тенденциям, наблюдаемым у большинства молекул, связывающих переходные металлы.

Сенсор может иметь широкое применение в биотехнологии для углубления понимания фотосинтеза, взаимодействий «хозяин–патоген» и нейробиологии. Его также можно потенциально применять в более общих процессах, например, для разделения компонентов переходных металлов (марганца, кобальта и никеля) при переработке литий-ионных аккумуляторов.

Результаты работы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы считаем, что это первый достаточно селективный сенсор для марганца, позволяющий проводить детальные исследования этого металла в биологических системах», — говорит Дженнифер Парк, аспирант и ведущий автор статьи. — «Мы использовали его и увидели динамику того, как марганец появляется и исчезает в живой системе, что раньше было невозможно».

Команда смогла отслеживать поведение марганца внутри бактерий и сейчас работает над созданием сенсоров с ещё более прочным связыванием, чтобы потенциально изучать, как металл работает в системах млекопитающих.

Значение марганца для жизни

Как железо, медь и цинк, марганец является важным металлом для растений и животных. Его функция — активация ферментов. Например, марганец — ключевой компонент процесса фотосинтеза в растениях, он присутствует на участке, где вода преобразуется в кислород.

У людей марганец связан с нейронным развитием. Накопление избытка марганца в мозге вызывает болезнь, похожую на паркинсонизм, тогда как снижение уровня марганца наблюдается в связи с болезнью Хантингтона.

Однако научное понимание марганца отстаёт от понимания других важных металлов, отчасти из-за отсутствия методов визуализации его концентрации, локализации и движения внутри клеток. Новый сенсор открывает двери для всевозможных новых исследований.

«У этого сенсора так много потенциальных применений», — говорит Джозеф Котруво, старший автор статьи. — «Лично меня особенно интересует, как марганец взаимодействует с патогенами».

Он объяснил, что организм активно ограничивает железо, необходимое большинству бактериальных патогенов для выживания, поэтому патогены обращаются к марганцу.

«Мы знаем, что существует борьба за жизненно важные металлы между иммунной системой и вторгающимися патогенами, но мы не могли полностью понять эту динамику, потому что не могли наблюдать её в реальном времени», — говорит он.

Новые возможности визуализации этого процесса дают исследователям инструменты для потенциальной разработки новых мишеней для лекарств против ряда инфекций, устойчивых к распространённым антибиотикам, таким как стафилококк (MRSA).

Инженерный прорыв

Спроектировать белки для связывания с определёнными металлами — сложная задача, потому что переходные металлы в клетках очень похожи. В результате не хватало инструментов химической биологии для изучения физиологии марганца в живых клетках.

«Вопрос для нас был в том, можем ли мы создать белок, который связывается только с одной вещью — ионом марганца — даже в присутствии огромного избытка других, очень похожих ионов, таких как кальций, магний, железо и цинк?» — говорит Котруво. — «Нам нужно было создать сайт связывания, расположенный именно так, чтобы эта белковая связь была более стабильной с марганцем, чем с любым другим металлом».

Успешно продемонстрировав, что ланмодулин способен на такое, команда теперь планирует использовать его в качестве основы для создания других типов биологических инструментов для обнаружения и извлечения многих различных ионов металлов, имеющих биологическое и технологическое значение.

«Если вы можете найти способы различать очень похожие металлы, это действительно мощно», — говорит Котруво. — «Если мы можем превратить ланмодулин в марганец-связывающий белок, то что ещё мы можем сделать?»