مستشعر حيوي مضاد للأمراض

المنغنيز عنصر كيميائي يوجد عادة في الصخور والتربة. إنه معدن صلب، هش، ورمادي-أبيض يستخدم غالباً في صناعة الصلب. يعتبر المنغنيز أيضاً من العناصر الغذائية الأساسية للإنسان والحيوان، حيث يلعب دوراً مهماً في عملية التمثيل الغذائي للأحماض الأمينية والكوليسترول والكربوهيدرات.

طور باحثو ولاية بنسلفانيا مستشعراً حيوياً جديداً يزود العلماء بالصور الديناميكية الأولى للمنغنيز، وهو أيون معدني بعيد المنال ضروري للحياة. صنع الباحثون جهاز الاستشعار باستخدام بروتين طبيعي يسمى لانموديولين، والذي لديه القدرة على ربط العناصر الأرضية النادرة بدقة ملحوظة. تم اكتشاف هذا البروتين قبل خمس سنوات من قبل بعض نفس الباحثين من ولاية بنسلفانيا المشاركين في الدراسة المقدمة.

كان الباحثون قادرين على إعادة برمجة البروتين وراثياً لتفضيل المنغنيز على المعادن الانتقالية الشائعة الأخرى مثل الحديد والنحاس، وهو ما يتحدى الاتجاهات التي لوحظت مع معظم جزيئات الربط المعدني الانتقالية.

يمكن أن يكون للمستشعر تطبيقات واسعة في التكنولوجيا الحيوية لتعزيز فهم التمثيل الضوئي، وتفاعلات المضيف والممرض، وعلم الأعصاب. يمكن أيضاً تطبيقه بشكل أكثر عمومية لعمليات مثل فصل المكونات المعدنية الانتقالية (المنغنيز والكوبالت والنيكل) في إعادة تدوير بطاريات الليثيوم الأيونية.

نشر الفريق مؤخراً النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.

يُظهر الرنين المغناطيسي النووي بنية البروتين الطبيعي المسمى لانموديولين، والذي يربط العناصر الأرضية النادرة بانتقائية عالية، وقد اكتشفه باحثو ولاية بنسلفانيا قبل 5 سنوات. قام الباحثون مؤخراً بإعادة برمجة البروتين وراثياً لتفضيل المنغنيز على المعادن الانتقالية الشائعة الأخرى مثل الحديد والنحاس.

قالت جينيفر بارك، طالبة الدراسات العليا في ولاية بنسلفانيا والمؤلفة الرئيسية للورقة: نعتقد أن هذا هو أول جهاز استشعار انتقائي بما يكفي للمنغنيز لإجراء دراسات مفصلة عن هذا المعدن في النظم البيولوجية. لقد استخدمناها - ورأينا ديناميكيات كيفية دخول المنغنيز وتواجده في نظام حي، وهو ما لم يكن ممكناً من قبل.

وأوضحت أن الفريق كان قادراً على مراقبة سلوك المنغنيز داخل البكتيريا ويعمل الآن على هندسة مستشعرات ربط أكثر إحكاماً لدراسة كيفية عمل المعدن في أنظمة الثدييات.

المنغنيز معدن أساسي للنباتات والحيوانات، مثله مثل الحديد والنحاس والزنك. وتتمثل وظيفتها في تنشيط الإنزيمات - الجزيئات ذات الوظائف الحيوية داخل الأنظمة الحية. على سبيل المثال ، يعد المنغنيز مكوناً رئيسياً لعملية التمثيل الضوئي في النباتات - يوجد المنغنيز في الموقع حيث يتم تحويل الماء إلى أكسجين في قلب عملية التمثيل الضوئي. في البشر، يرتبط المنغنيز بالتطور العصبي. وأوضح الباحثون أن تراكم المنغنيز الزائد في الدماغ يؤدي إلى الإصابة بمرض حركي شبيه بالباركنسون، في حين لوحظ انخفاض مستويات المنغنيز مع مرض هنتنغتون.

ومع ذلك ، فقد تأخر الفهم العلمي للمنغنيز عن الفهم الخاص بالمعادن الأساسية الأخرى ، ويرجع ذلك جزئياً إلى الافتقار إلى التقنيات لتصور تركيزه وتوطينه وحركته داخل الخلايا. يوضح جوزيف كوتروفو، أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة ولاية بنسلفانيا وكبير مؤلفي الورقة البحثية، أن المستشعر الجديد يفتح الباب أمام جميع أنواع الأبحاث الجديدة.

قال كوتروفو: هناك الكثير من التطبيقات المحتملة لهذا المستشعر. أنا شخصياً مهتم بشكل خاص برؤية كيفية تفاعل المنغنيز مع مسببات الأمراض.

وأوضح أن الجسم يعمل بجد للحد من الحديد الذي تحتاجه معظم مسببات الأمراض البكتيرية للبقاء على قيد الحياة، وبالتالي تتحول هذه العوامل الممرضة بدلاً من ذلك إلى المنغنيز.

وأضاف: نحن نعلم أن هناك لعبة شد الحبل هذه للمعادن الحيوية بين جهاز المناعة ومسببات الأمراض الغازية، لكننا لم نتمكن من فهم هذه الديناميكيات تماماً، لأننا لم نتمكن من رؤيتها في الوقت الفعلي، مضيفاً أنه مع القدرات الجديدة لتصور العملية، يمتلك الباحثون أدوات لتطوير أهداف دوائية جديدة لمجموعة من العدوى التي ظهرت مقاومة للمضادات الحيوية الشائعة، مثل المكورات العنقودية الذهبية (MRSA).

أوضح كوتروفو أن تصميم البروتينات للارتباط بمعادن معينة يمثل مشكلة جوهرية صعبة، لأن هناك الكثير من أوجه التشابه بين المعادن الانتقالية الموجودة في الخلايا. نتيجة لذلك، كان هناك نقص في أدوات البيولوجيا الكيميائية لدراسة فيزيولوجيا المنغنيز في الخلايا الحية.

قال كوتروفو: كان السؤال بالنسبة إلينا، هل يمكننا هندسة بروتين ليرتبط بشيء واحد فقط، أيون المنغنيز، حتى في وجود فائض كبير من الأشياء الأخرى المتشابهة جداً، مثل أيونات الكالسيوم والمغنيزيوم والحديد والزنك؟ ما كان علينا القيام به هو إنشاء موقع ربط منظم بالطريقة الصحيحة تماماً، بحيث تكون رابطة البروتين هذه أكثر استقراراً في المنغنيز من أي معدن آخر.

بعد أن أثبت بنجاح أن لانموديولين قادر على القيام بمثل هذه المهمة، يخطط الفريق الآن لاستخدامه كسقالة يمكن من خلالها تطوير أنواع أخرى من الأدوات البيولوجية لاستشعار واستعادة العديد من الأيونات المعدنية المختلفة التي لها أهمية بيولوجية وتكنولوجية.