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)