新的生物传感器揭示了对生命至关重要的锰金属的活性

这种蛋白质是五年前由参与本次研究的宾夕法尼亚州立大学的一些相同研究人员发现的。他们能够对该蛋白进行遗传重编程，使其倾向于锰而不是其他常见的过渡金属，如铁和铜，这违背了大多数过渡金属结合分子的趋势。

该传感器可以在生物技术领域有广泛的应用，以促进对光合作用、宿主-病原体相互作用和神经生物学的理解。它还可以更普遍地应用于诸如锂离子电池回收中过渡金属成分（锰、钴和镍）的分离过程。

该团队最近在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

核磁共振图像显示了一种叫做lanmodulin的天然蛋白质的结构，它以高选择性结合稀土元素，是宾夕法尼亚州立大学的研究人员在5年前发现的。研究人员最近对该蛋白进行了基因重组，使其倾向于锰而不是铁和铜等其他普通过渡金属。资料来源：Cotruvo实验室/宾州州立大学

"我们相信这是第一个对锰有足够选择性的传感器，可以详细研究生物系统中的这种金属，"宾夕法尼亚州立大学的研究生和论文的主要作者Jennifer Park说。"我们已经使用了它--并且看到了锰在一个生物系统中如何来去的动态，这在以前是不可能的。"

她解释说，该团队能够监测锰在细菌中的行为，现在正在努力设计更紧密的结合传感器，以潜在地研究金属在哺乳动物系统中如何工作。

像铁、铜和锌一样，锰是植物和动物的一种基本金属。它的功能是激活酶--在生命系统中具有重要工作的分子。例如，锰是植物光合作用过程中的一个关键组成部分--锰存在于水转化为氧气的部位，这是光合作用的核心。在人类中，锰与神经发育有关。研究人员解释说，大脑中过量的锰积累会诱发类似帕金森病的运动疾病，而锰水平的降低已经被观察到与亨廷顿氏病有关。

然而，对锰的科学理解已经落后于其他基本金属，部分原因是缺乏可视化其浓度、定位和在细胞内移动的技术。宾夕法尼亚州立大学化学副教授、该论文的资深作者Joseph Cotruvo解释说，这种新的传感器为各种新的研究打开了大门，例如人体努力限制大多数细菌病原体生存所需的铁，因此这些病原体反而转向了锰。

他说："我们知道免疫系统和这些入侵的病原体之间存在着这种争夺重要金属的拉锯战，但我们一直无法完全理解这些动态，因为我们无法实时看到它们，"他补充说，有了将这一过程可视化的新能力，研究人员就有了潜在的工具来开发新的药物目标，以治疗对普通抗生素出现抗性的一系列感染，如葡萄球菌（MRSA）。

设计与特定金属结合的蛋白质是一个内在的难题，因为细胞中存在的过渡金属之间有很多相似之处。因此，一直缺乏化学生物学工具来研究活细胞中的锰的生理学。

"我们的问题是，我们能否设计一种蛋白质，使其只与一种东西，即锰离子结合，即使在其他非常相似的东西，如钙、镁、铁和锌离子大量存在的情况下？我们必须做的是创造一个以正确方式排列的结合点，使这种蛋白质键在锰中比任何其他金属都更稳定。"

在成功证明lanmodulin能够完成这样的任务后，该团队现在正计划将其作为一个支架，从中进化出其他类型的生物工具，用于感应和回收许多具有生物和技术重要性的不同金属离子。

Cotruvo说："如果你能找出辨别非常相似的金属的方法，那真的很强大。如果我们能把lanmodulin变成一个锰结合蛋白，那么我们还能做什么？"