《PNAS》美大學開發錳感測蛋白 首揭活細胞錳動態影像

撰文記者 劉馨香
日期2023-03-15
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(左)神經元圖:pngegg。(右)lanmodulin圖:Courtesy Cotruvo Lab / Penn State
美國賓州州立大學(PSU)研究團隊,開發出一種能高選擇性與錳(Mn)結合的蛋白質生物感測器,讓科學界首次能一窺錳這種難以捉摸的金屬離子的動態影像。錳對於生命體非常重要,有了這種錳感測器將能進一步促進科學家對於光合作用、宿主病原體交互作用、神經生理學等領域的理解。研究在2022年12月發表於《PNAS》。

本次研究發表的生物感測器,是以名為lanmodulin的天然蛋白質改造而成。而賓州州立大學研究團隊,則是在5年前發現該天然蛋白質能夠高選擇性地結合稀土元素。

研究人員對該蛋白質的基因重新編程,使其優先選擇與錳結合,而不是其他常見的過渡金屬,如鐵和銅。這使該蛋白質與大部分「過渡金屬結合分子」的傾向不同。

賓州州立大學研究生、該論文的第一作者Jennifer Park說:「我們相信這是第一個對錳具有足夠選擇性的感測器,可以用來詳細研究生物系統中的錳。我們已經使用了它,並且看到了錳在生命系統中進進出出的動態,這在以前是不可能的。」

此外,研究團隊也利用此感測器監測細菌內錳的行為,並正努力設計能與錳更緊密結合的感測器,希望能進一步應用於研究哺乳動物系統中的錳的作用。
 

錳感測器打開新生命科學研究之門


與鐵、銅和鋅一樣,錳是植物和動物必需的金屬。它的功能是作為酶的活化劑、或是與酶組成複合體。例如,在植物的光合作用中,錳位於水轉化成氧氣的關鍵位置。

在人類身上,錳則是與神經發育有關。例如,大腦中累積過多的錳,會誘發類似帕金森氏症的運動障礙;而錳含量過低,被觀察到與亨丁頓舞蹈症相關。

然而,由於缺乏監測錳離子在細胞內的濃度、定位和移動情況的技術,科學界對錳的理解,相比於其他必需金屬較為落後。

賓州州立大學化學副教授、該論文的通訊作者Joseph Cotruvo表示,這種新感測器打開了各種新型研究之門。

Cotruvo說:「我對於錳如何與病原體交互作用特別感興趣。」

他解釋,人體努力限制大多數細菌、病原體生存所需的鐵,因此這些病原體轉而使用錳。我們的免疫系統和入侵的病原體之間,存在著爭奪重要金屬的拉鋸戰,但由於我們無法即時監測它們,所以無法完全理解這些動態。一旦有了可視化此過程的新能力,研究人員就有潛力針對抗生素抗藥性細菌,開發新的藥物靶點。
 

其他金屬離子感測器蓄勢待發


Cotruvo指出,設計與特定金屬結合的蛋白質在本質上就是一個難題,因為存在於細胞中的過渡金屬有很多相似之處。

即使存在大量看起來非常相似的物質,如鈣、鎂、鐵和鋅離子,研究團隊設計的蛋白質,必須僅結合一種物質(錳離子)。

Cotruvo說:「我們必須以恰當方式排列結合位點,使得該蛋白質與錳結合的鍵結,比與任何其他金屬結合的鍵結都更穩定。」

成功證明改造版lanmodulin能夠完成這項任務後,該團隊正計劃以此為基礎架構,來設計和創建其他類型的生物學工具,用於感測和回收多種重要的金屬離子。

參考資料:https://phys.org/news/2023-03-biosensor-reveals-elusive-metal-essential.html
論文:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2212723119

(編譯/劉馨香)