宾夕法尼亚州立大学研究人员设计的新型生物传感器为科学家提供了锰的第一次动态一瞥，锰是一种对生命至关重要的难以捉摸的金属离子。

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研究人员用一种叫做lanmodulin的天然蛋白质设计了传感器，这种蛋白质以高选择性结合稀土元素，5年前由参与本研究的一些宾夕法尼亚州立大学研究人员发现。

他们能够在基因上重新编程蛋白质，使其有利于锰而不是其他常见的过渡金属，如铁和铜，这与大多数过渡金属结合分子观察到的趋势背道而驰。

该传感器可以在生物技术中具有广泛的应用，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。它也可能更普遍地应用于锂离子电池回收中过渡金属成分(锰、钴和镍)的分离等工艺。

该团队最近在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。

“我们相信这是第一个对锰具有足够选择性的传感器，可以在生物系统中详细研究这种金属，”宾夕法尼亚州立大学研究生，该论文的第一作者Jennifer Park说。“我们已经使用了它 - 并看到了锰如何在生命系统中来来去去的动态，这在以前是不可能的。

她解释说，该团队能够监测细菌中锰的行为，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的工作原理。

像铁、铜和锌一样，锰是植物和动物的必需金属。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的关键组成部分——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，大脑中过量锰的积累会诱发帕金森病样运动疾病，而锰含量降低则与亨廷顿病有关。

然而，对锰的科学理解落后于其他必需金属，部分原因是缺乏可视化其浓度，定位和细胞内运动的技术。新的传感器为各种新研究打开了大门，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。

“这种传感器有很多潜在的应用，”Cotruvo说。“就我个人而言，我对锰如何与病原体相互作用特别感兴趣。

他解释说，身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锰。

“我们知道免疫系统和这些入侵病原体之间存在重要金属的拉锯战，但我们无法完全理解这些动态，因为我们无法实时看到它们，”他说，并补充说，凭借可视化过程的新功能，研究人员拥有工具，可以潜在地为一系列感染开发新的药物靶点，这些感染已经对普通抗生素产生了耐药性， 像葡萄球菌(MRSA)。

Cotruvo解释说，设计蛋白质与特定金属结合是一个本质上困难的问题，因为细胞中存在的过渡金属之间有很多相似之处。因此，缺乏化学生物学工具来研究活细胞中的锰生理学。

“我们的问题是，我们能否设计一种蛋白质只与一种东西结合，即锰离子，即使存在大量其他看起来非常相似的东西，如钙、镁、铁和锌离子?”科特鲁沃说。“我们必须做的是创建一个以正确方式排列的结合位点，以便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，该团队现在计划将其用作支架，从中发展其他类型的生物工具，用于感知和回收具有生物学和技术重要性的许多不同金属离子。

“如果你能找到区分非常相似的金属的方法，那真的很强大，”科特鲁沃说。“如果我们能把兰调蛋白变成锰结合蛋白，那我们还能做什么呢?”