Um novo biossensor projetado por pesquisadores da Penn State oferece aos cientistas os primeiros vislumbres dinâmicos de manganês, um íon metálico indescritível que é essencial para a vida.
Os pesquisadores projetaram o sensor a partir de uma proteína natural chamada lanmodulina, que se liga a elementos de terras raras com alta seletividade e foi descoberta há 5 anos por alguns dos pesquisadores da Penn State envolvidos no presente estudo.
Eles foram capazes de reprogramar geneticamente a proteína para favorecer o manganês em relação a outros metais de transição comuns, como ferro e cobre, o que desafia as tendências observadas com a maioria das moléculas de ligação de metais de transição.
O sensor pode ter amplas aplicações em biotecnologia para avançar na compreensão da fotossíntese, interações hospedeiro-patógeno e neurobiologia. Também poderia ser aplicado de forma mais geral para processos como a separação dos componentes de metais de transição (manganês, cobalto e níquel) na reciclagem de baterias de íon-lítio.
A equipe publicou recentemente suas descobertas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Acreditamos que este é o primeiro sensor seletivo o suficiente para manganês para estudos detalhados desse metal em sistemas biológicos”, disse Jennifer Park, estudante de pós-graduação da Penn State e principal autora do artigo. “Nós o usamos – e vimos a dinâmica de como o manganês entra e sai em um sistema vivo, o que não era possível antes”.
Ela explicou que a equipe conseguiu monitorar o comportamento do manganês dentro das bactérias e agora está trabalhando para projetar sensores de ligação ainda mais rígidos para estudar potencialmente como o metal funciona em sistemas de mamíferos.
Assim como o ferro, o cobre e o zinco, o manganês é um metal essencial para plantas e animais. Sua função é ativar enzimas – moléculas com funções vitais dentro dos sistemas vivos. Por exemplo, o manganês é um componente chave do processo fotossintético nas plantas – o manganês está presente no local onde a água é convertida em oxigênio que está no centro da fotossíntese. Nos humanos, o manganês está ligado ao desenvolvimento neural. O acúmulo de excesso de manganês no cérebro induz doença motora do tipo parkinsoniana, enquanto níveis reduzidos de manganês foram observados em associação com a doença de Huntington, explicaram os pesquisadores.
No entanto, a compreensão científica do manganês ficou atrás de outros metais essenciais, em parte devido à falta de técnicas para visualizar sua concentração, localização e movimento dentro das células. O novo sensor abre as portas para todos os tipos de novas pesquisas, explicou Joseph Cotruvo, professor associado de química na Penn State e autor sênior do artigo.
“Existem tantas aplicações potenciais para este sensor”, disse Cotruvo. “Pessoalmente, estou particularmente interessado em ver como o manganês interage com patógenos.”
Ele explicou que o corpo trabalha duro para restringir o ferro que a maioria dos patógenos bacterianos precisa para sobreviver e, portanto, esses patógenos se transformam em manganês.
“Sabemos que existe esse cabo de guerra por metais vitais entre o sistema imunológico e esses patógenos invasores, mas não conseguimos entender completamente essa dinâmica porque não conseguimos vê-los em tempo real”, disse ele. , acrescentando que, com novos recursos para visualizar o processo, os pesquisadores têm ferramentas para desenvolver potencialmente novos alvos de drogas para uma série de infecções para as quais surgiu resistência a antibióticos comuns, como estafilococos (MRSA).
Projetar proteínas para se ligar a determinados metais é um problema intrinsecamente difícil, explicou Cotruvo, porque há muitas semelhanças entre os metais de transição presentes nas células. Como resultado, faltam ferramentas de biologia química para estudar a fisiologia do manganês em células vivas.
“A questão para nós era: podemos projetar uma proteína para se ligar apenas a uma coisa, um íon de manganês, mesmo na presença de um grande excesso de outras coisas de aparência muito semelhante, como íons de cálcio, magnésio, ferro e zinco? ” disse Cotruvo. “O que tivemos que fazer foi criar um sítio de ligação organizado da maneira certa, para que essa ligação de proteína fosse mais estável no manganês do que em qualquer outro metal.”
Tendo demonstrado com sucesso que a lanmodulina é capaz de tal tarefa, a equipe agora planeja usá-la como um andaime a partir do qual evoluir outros tipos de ferramentas biológicas para detectar e recuperar muitos íons metálicos diferentes que têm importância biológica e tecnológica.
“Se você conseguir descobrir maneiras de discriminar entre metais muito semelhantes, isso é realmente poderoso”, disse Cotruvo. “Se podemos pegar a lanmodulina e transformá-la em uma proteína de ligação ao manganês, o que mais podemos fazer?”
Outros coautores do artigo são Joseph Mattocks e Jiansong Xu, da Penn State; Michael Cleary, Huan Wang e Eric Gale, do Massachusetts General Hospital e Harvard Medical School; e Danyang Li e Somshuvra Mukhopadhyay da Universidade do Texas em Austin.
Os Institutos Nacionais de Saúde e o financiamento inicial da Penn State apoiaram este trabalho.