Manganez, genellikle kayalarda ve toprakta bulunan kimyasal bir elementtir. Çelik yapımında sıklıkla kullanılan sert, kırılgan, gri-beyaz bir metaldir. Manganez ayrıca amino asitlerin, kolesterolün ve karbonhidratların metabolizmasında çok önemli bir rol oynayan insanlar ve hayvanlar için temel bir besindir.
Penn State araştırmacıları, bilim adamlarına ilki sağlayan yeni bir biyosensör geliştirdiler. yaşam için gerekli olan, bulunması zor bir metal iyonu olan manganezin dinamik görüntüleri.
Araştırmacılar, nadir toprak elementlerini dikkate değer bir hassasiyetle bağlama yeteneğine sahip, lanmodulin adı verilen doğal bir protein kullanarak sensörü hazırladılar. Bu protein beş yıl önce, Penn State’ten sunulan çalışmaya katılan aynı araştırmacılardan bazıları tarafından ortaya çıkarıldı.
Proteini, demir ve bakır gibi diğer yaygın geçiş metalleri yerine manganezi tercih edecek şekilde genetik olarak yeniden programlayabildiler. , çoğu geçiş metali bağlayıcı molekülde gözlemlenen eğilimlere meydan okur.
Sensör, fotosentez, konakçı-patojen etkileşimleri ve nörobiyoloji anlayışını ilerletmek için biyoteknolojide geniş uygulamalara sahip olabilir. Lityum iyon pil geri dönüşümünde geçiş metali bileşenlerinin (mangan, kobalt ve nikel) ayrılması gibi işlemler için daha genel olarak potansiyel olarak uygulanabilir.
Ekip yakın zamanda bulgularını Bildiriler Kitabı’nda yayınladı. Ulusal Bilimler Akademisi.
Nükleer manyetik rezonans, nadir toprak elementlerini yüksek seçicilikle bağlayan ve 5 yıl önce Penn State araştırmacıları tarafından keşfedilen lanmodulin adlı doğal bir proteinin yapısını gösterir. Araştırmacılar yakın zamanda proteini, demir ve bakır gibi diğer yaygın geçiş metallerine kıyasla manganezi tercih edecek şekilde genetik olarak yeniden programladılar. Kredi: Cotruvo Lab/Penn State
“Bunun, biyolojik sistemlerde bu metalin ayrıntılı çalışmaları için manganez için yeterince seçici olan ilk sensör olduğuna inanıyoruz” dedi. Penn State ve makalenin baş yazarı. “Bunu kullandık ve daha önce mümkün olmayan canlı bir sistemde manganezin nasıl gelip gittiğinin dinamiklerini gördük.”
Ekibin manganezin davranışını izleyebildiğini açıkladı. şimdilerde metalin memeli sistemlerinde nasıl çalıştığını potansiyel olarak incelemek için daha da sıkı bağlanma sensörleri tasarlamak için çalışıyorlar.
Mangan, demir, bakır ve çinko gibi bitkiler ve hayvanlar için temel bir metaldir. İşlevi, canlı sistemlerde hayati görevleri olan moleküller olan enzimleri aktive etmektir. Örneğin, manganez, bitkilerde fotosentez sürecinin önemli bir bileşenidir – manganez, suyun fotosentezin kalbindeki oksijene dönüştürüldüğü yerde bulunur. İnsanlarda manganez sinirsel gelişimle bağlantılıdır. Araştırmacılar, beyinde aşırı manganez birikiminin Parkinson benzeri motor hastalığa neden olduğunu, buna karşın düşük manganez düzeylerinin Huntington hastalığıyla bağlantılı olarak gözlemlendiğini açıkladı.
Ancak, manganezin bilimsel olarak anlaşılması diğer temel maddelerin gerisinde kaldı metaller, kısmen konsantrasyonunu, lokalizasyonunu ve hücreler içindeki hareketini görselleştirecek tekniklerin eksikliğinden dolayı. Penn State’de kimya doçenti ve makalenin kıdemli yazarı Joseph Cotruvo, yeni sensörün her türlü yeni araştırmaya kapı araladığını açıkladı.
“Bu sensör için pek çok potansiyel uygulama var” dedi. Cotruvo. “Şahsen, manganezin patojenlerle nasıl etkileşime girdiğini görmekle özellikle ilgileniyorum.”
Vücudun, çoğu bakteriyel patojenin hayatta kalmak için ihtiyaç duyduğu demiri kısıtlamak için çok çalıştığını ve bu nedenle bu patojenlerin bunun yerine manganeze dönüştüğünü açıkladı.
“Bağışıklık sistemi ile bu istilacı patojenler arasında hayati metaller için bir çekişme olduğunu biliyoruz, ancak bu dinamikleri tam olarak anlayamadık çünkü onları göremedik. süreci görselleştirmeye yönelik yeni yeteneklerle, araştırmacıların staph (MRSA) gibi yaygın antibiyotiklere direncin ortaya çıktığı bir dizi enfeksiyon için potansiyel olarak yeni ilaç hedefleri geliştirmeye yönelik araçlara sahip olduğunu sözlerine ekledi.
Cotruvo, proteinleri belirli metallere bağlanacak şekilde tasarlamanın doğası gereği zor bir problem olduğunu, çünkü hücrelerde bulunan geçiş metalleri arasında pek çok benzerlik olduğunu açıkladı. Sonuç olarak, canlı hücrelerde manganez fizyolojisini incelemek için kullanılan kimyasal biyoloji araçlarının eksikliği vardı.
“Bizim için soru şuydu: Bir proteini yalnızca tek bir şeye, yani bir manganeze bağlanacak şekilde tasarlayabilir miyiz? iyon, kalsiyum, magnezyum, demir ve çinko iyonları gibi çok benzer görünen şeylerin varlığında bile mi? Cotruvo dedi. “Yapmamız gereken şey, bu protein bağının manganez içinde diğer tüm metallerden daha kararlı olması için tam olarak doğru şekilde düzenlenmiş bir bağlanma bölgesi oluşturmaktı.”
Lanmodulin’in böyle bir görevi yerine getirebileceğini başarılı bir şekilde göstermiş olmak , ekip şimdi bunu, biyolojik ve teknolojik öneme sahip birçok farklı metal iyonunu algılamak ve geri kazanmak için diğer biyolojik araç türlerinin geliştirilmesi için bir yapı iskelesi olarak kullanmayı planlıyor.
“Eğer çok benzer metaller arasında ayrım yapmak gerçekten çok güçlü,” dedi Cotruvo. “Lanmodulin’i alıp manganez bağlayıcı bir proteine dönüştürebilirsek, başka ne yapabiliriz?”
Referans: “Manganez(II) için lanmodulin’den tasarlanmış, genetik olarak kodlanmış bir floresan sensör”, Jennifer Park, Michael B. Cleary, Danyang Li, Joseph A. Mattocks, Jiansong Xu, Huan Wang, Somshuvra Mukhopadhyay, Eric M. Gale ve Joseph A. Cotruvo Jr., 12 Aralık 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.{10 } DOI: 10.1073/pnas.2212723119
Çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi ve başlangıç finansmanı Penn State tarafından sağlandı.