賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種新的生物傳感器，為科學家提供了錳的第一個動態圖像，錳是一種難以捉摸的金屬離子，對生命至關重要。研究人員利用一種叫做lanmodulin的天然蛋白質製作了這種傳感器，這種蛋白質具有非常精確地結合稀土元素的能力。

這種蛋白質是五年前由參與本次研究的賓夕法尼亞州立大學的一些相同研究人員發現的。他們能夠對該蛋白進行遺傳重編程，使其傾向於錳而不是其他常見的過渡金屬，如鐵和銅，這違背了大多數過渡金屬結合分子的趨勢。

該傳感器可以在生物技術領域有廣泛的應用，以促進對光合作用、宿主-病原體相互作用和神經生物學的理解。它還可以更普遍地應用於諸如鋰離子電池回收中過渡金屬成分（錳、鈷和鎳）的分離過程。

該團隊最近在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的發現。

核磁共振圖像顯示了一種叫做lanmodulin的天然蛋白質的結構，它以高選擇性結合稀土元素，是賓夕法尼亞州立大學的研究人員在5年前發現的。研究人員最近對該蛋白進行了基因重組，使其傾向於錳而不是鐵和銅等其他普通過渡金屬。資料來源：Cotruvo實驗室/賓州州立大學

“我們相信這是第一個對錳有足夠選擇性的傳感器，可以詳細研究生物系統中的這種金屬，”賓夕法尼亞州立大學的研究生和論文的主要作者Jennifer Park說。”我們已經使用了它–並且看到了錳在一個生物系統中如何來去的動態，這在以前是不可能的。”

她解釋說，該團隊能夠監測錳在細菌中的行為，現在正在努力設計更緊密的結合傳感器，以潛在地研究金屬在哺乳動物系統中如何工作。

像鐵、銅和鋅一樣，錳是植物和動物的一種基本金屬。它的功能是激活酶–在生命系統中具有重要工作的分子。例如，錳是植物光合作用過程中的一個關鍵組成部分–錳存在於水轉化為氧氣的部位，這是光合作用的核心。在人類中，錳與神經發育有關。研究人員解釋說，大腦中過量的錳積累會誘發類似帕金森病的運動疾病，而錳水平的降低已經被觀察到與亨廷頓氏病有關。

然而，對錳的科學理解已經落後於其他基本金屬，部分原因是缺乏可視化其濃度、定位和在細胞內移動的技術。賓夕法尼亞州立大學化學副教授、該論文的資深作者Joseph Cotruvo解釋說，這種新的傳感器為各種新的研究打開了大門，例如人體努力限制大多數細菌病原體生存所需的鐵，因此這些病原體反而轉向了錳。

他說：”我們知道免疫系統和這些入侵的病原體之間存在著這種爭奪重要金屬的拉鋸戰，但我們一直無法完全理解這些動態，因為我們無法實時看到它們，”他補充說，有了將這一過程可視化的新能力，研究人員就有了潛在的工具來開發新的藥物目標，以治療對普通抗生素出現抗性的一系列感染，如葡萄球菌（MRSA）。

設計與特定金屬結合的蛋白質是一個內在的難題，因為細胞中存在的過渡金屬之間有很多相似之處。因此，一直缺乏化學生物學工具來研究活細胞中的錳的生理學。

“我們的問題是，我們能否設計一種蛋白質，使其只與一種東西，即錳離子結合，即使在其他非常相似的東西，如鈣、鎂、鐵和鋅離子大量存在的情況下？我們必須做的是創造一個以正確方式排列的結合點，使這種蛋白質鍵在錳中比任何其他金屬都更穩定。”

在成功證明lanmodulin能夠完成這樣的任務後，該團隊現在正計劃將其作為一個支架，從中進化出其他類型的生物工具，用於感應和回收許多具有生物和技術重要性的不同金屬離子。

Cotruvo說：”如果你能找出辨別非常相似的金屬的方法，那真的很強大。如果我們能把lanmodulin變成一個錳結合蛋白，那麼我們還能做什麼？”