فعالیت «فلز گریزان» که برای زندگی ضروری است، آشکار شد

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، محققان ایالت پن یک حسگر زیستی جدید ساخته اند که اولین تصاویر پویا از منگنز را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد، یک یون فلزی گریزان که برای زندگی ضروری است.

محققان این حسگر را با استفاده از یک پروتئین طبیعی به نام لانمودولین ساختند که توانایی اتصال عناصر کمیاب خاکی را با دقت قابل توجهی دارد. این پروتئین پنج سال پیش توسط برخی از همان محققان از ایالت پن که در مطالعه ارائه شده شرکت داشتند، کشف شد.

آن‌ها توانستند پروتئین را به طور ژنتیکی برنامه ریزی مجدد کنند تا منگنز را بر سایر فلزات واسطه‌ای رایج مانند آهن و مس ترجیح دهند، که با روند مشاهده شده در اکثر مولکول‌های اتصال فلزات واسطه مخالف است.

این حسگر می‌تواند کاربرد‌های گسترده‌ای در بیوتکنولوژی برای پیشبرد درک فتوسنتز، تعاملات میزبان و پاتوژن و نوروبیولوژی داشته باشد. همچنین می‌تواند به طور بالقوه برای فرآیند‌هایی مانند جداسازی اجزای فلز واسطه (منگنز، کبالت و نیکل) در بازیافت باتری‌های لیتیوم یون به کار رود.

این تیم اخیرا یافته‌های خود را در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر کرده است.

رزونانس مغناطیسی هسته‌ای ساختار پروتئین طبیعی به نام لانمودولین را نشان می‌دهد که عناصر کمیاب خاکی را با گزینش پذیری بالا به هم متصل می‌کند و ۵ سال پیش توسط محققان ایالت پن کشف شد. محققان اخیراً به طور ژنتیکی این پروتئین را به گونه‌ای برنامه ریزی کردند که منگنز را نسبت به سایر فلزات انتقالی رایج مانند آهن و مس ترجیح دهد.

جنیفر پارک، دانشجوی فارغ التحصیل در ایالت پن و نویسنده اصلی مقاله، گفت: ما معتقدیم که این اولین حسگر است که به اندازه کافی برای منگنز برای مطالعات دقیق این فلز در سیستم‌های بیولوژیکی انتخابی است «ما از آن استفاده کرده‌ایم» و دینامیک چگونگی آمدن و رفتن منگنز در یک سیستم زنده را دیدیم که قبلاً امکان‌پذیر نبود.

او توضیح داد که این تیم قادر به نظارت بر رفتار منگنز در باکتری‌ها هستند و اکنون در حال مهندسی کردن حسگر‌های اتصال محکم‌تر برای مطالعه بالقوه نحوه عملکرد این فلز در سیستم‌های پستانداران هستند.

منگنز نیز مانند آهن، مس و روی یک فلز ضروری برای گیاهان و حیوانات است. عملکرد آن فعال کردن آنزیم‌ها و مولکول‌هایی با وظایف حیاتی در سیستم‌های زنده است.

به عنوان مثال، منگنز یک جزء کلیدی از فرآیند فتوسنتز در گیاهان است - منگنز در محلی وجود دارد که آب به اکسیژن تبدیل می‌شود که در قلب فتوسنتز قرار دارد. در انسان، منگنز با رشد عصبی مرتبط است. 

محققان توضیح دادند که تجمع منگنز اضافی در مغز باعث ایجاد بیماری حرکتی پارکینسونی مانند می‌شود، در حالی که کاهش سطح منگنز در ارتباط با بیماری هانتینگتون مشاهده شده است.

با این حال، درک علمی منگنز از سایر فلزات ضروری عقب مانده است، تا حدی به دلیل فقدان تکنیک‌هایی برای تجسم غلظت، محلی سازی و حرکت آن در سلول‌ها.

جوزف کوتروو، دانشیار شیمی در ایالت پن و نویسنده ارشد این مقاله توضیح داد که حسگر جدید در را برای انواع تحقیقات جدید باز می‌کند.

کوتروو گفت: کاربرد‌های بالقوه زیادی برای این سنسور وجود دارد. من شخصاً به دیدن چگونگی تعامل منگنز با پاتوژن‌ها علاقه‌مند هستم.

او توضیح داد که بدن سخت کار می‌کند تا آهنی را که بیشتر پاتوژن‌های باکتریایی برای بقا به آن نیاز دارند محدود کند و بنابراین این عوامل بیماری زا در عوض به منگنز تبدیل می‌شوند.

او می‌گوید: ما می‌دانیم که این کشمکش برای فلزات حیاتی بین سیستم ایمنی و این پاتوژن‌های مهاجم وجود دارد، اما ما قادر به درک کامل این پویایی‌ها نیستیم، زیرا نمی‌توانستیم آن‌ها را در زمان واقعی ببینیم. وی افزود که با قابلیت‌های جدید برای تجسم فرآیند، محققان ابزار‌هایی برای توسعه بالقوه اهداف دارویی جدید برای طیف وسیعی از عفونت‌ها دارند که در آن‌ها مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌های رایج مانند استاف (MRSA) ایجاد شده است.

کوتروو توضیح داد که طراحی پروتئین‌ها برای اتصال به فلزات خاص یک مشکل ذاتا دشوار است، زیرا شباهت‌های زیادی بین فلزات واسطه موجود در سلول‌ها وجود دارد. در نتیجه، کمبود ابزار بیولوژی شیمیایی برای مطالعه فیزیولوژی منگنز در سلول‌های زنده وجود داشته است.

سوالی که برای ما مطرح شد این بود که آیا می‌توانیم پروتئینی را مهندسی کنیم که فقط به یک چیز، یون منگنز، حتی در حضور مقدار زیادی از چیز‌های بسیار مشابه دیگر مانند یون‌های کلسیم، منیزیم، آهن و روی متصل شود؟

کوتروو گفت: کاری که ما باید انجام می‌دادیم این بود که یک محل اتصال درست کنیم که به روش درست چیده شده باشد، به طوری که این پیوند پروتئینی در منگنز از هر فلز دیگری پایدارتر باشد.

با اثبات موفقیت آمیز لانمودولین قادر به انجام چنین وظیفه‌ای است، تیم اکنون در حال برنامه ریزی برای استفاده از آن به عنوان داربستی است که از آن می‌تواند انواع دیگر ابزار‌های بیولوژیکی را برای سنجش و بازیابی بسیاری از یون‌های فلزی مختلف که دارای اهمیت بیولوژیکی و تکنولوژیکی هستند، توسعه دهد.

کوتروو می‌گوید: اگر بتوانید راه‌هایی را برای تمایز بین فلزات بسیار مشابه بیابید، واقعاً قدرتمند است. اگر بتوانیم لانمودولین مصرف کنیم و آن را به پروتئین متصل شونده به منگنز تبدیل کنیم، پس چه کار دیگری می‌توانیم انجام دهیم؟