Un nuevo biosensor diseñado por investigadores de Penn State ofrece a los científicos los primeros atisbos dinámicos de manganeso, un ión metálico escurridizo que es esencial para la vida.

Los investigadores diseñaron el sensor a partir de una proteína natural llamada lanmodulina, que se une a elementos de tierras raras con alta selectividad y fue descubierta hace cinco años por algunos de los investigadores de Penn State que participan en el presente estudio.

Pudieron reprogramar genéticamente la proteína para favorecer el manganeso sobre otros metales de transición comunes como el hierro y el cobre, lo que desafía las tendencias observadas con la mayoría de las moléculas de unión a metales de transición.

El sensor podría tener amplias aplicaciones en biotecnología para avanzar en la comprensión de la fotosíntesis, las interacciones huésped-patógeno y la neurobiología. También podría aplicarse potencialmente de manera más general para procesos como la separación de los componentes de metales de transición (manganeso, cobalto y níquel) en el reciclaje de baterías de iones de litio.

El equipo publicó recientemente sus hallazgos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

« Creemos que este es el primer sensor lo suficientemente selectivo para el manganeso para estudios detallados de este metal en sistemas biológicos », dijo Jennifer Park, estudiante de posgrado en Penn State y autora principal del artículo. « Lo hemos usado y hemos visto la dinámica de cómo el manganeso va y viene en un sistema vivo, lo que no había sido posible antes ».

Al igual que el hierro, el cobre y el zinc, el manganeso es un metal esencial para las plantas y los animales. Su función es activar enzimas, moléculas con trabajos vitales dentro de los sistemas vivos. Por ejemplo, el manganeso es un componente clave del proceso fotosintético en las plantas: el manganeso está presente en el sitio donde el agua se convierte en oxígeno, que es el corazón de la fotosíntesis. En los humanos, el manganeso está relacionado con el desarrollo neuronal. La acumulación de exceso de manganeso en el cerebro induce una enfermedad motora similar a la de Parkinson, mientras que se han observado niveles reducidos de manganeso en asociación con la enfermedad de Huntington, explicaron los investigadores.

Sin embargo, la comprensión científica del manganeso se ha quedado atrás con respecto a otros metales esenciales, en parte debido a la falta de técnicas para visualizar su concentración, localización y movimiento dentro de las células. El nuevo sensor abre la puerta a todo tipo de nuevas investigaciones, explicó Joseph Cotruvo, profesor asociado de química en Penn State y autor principal del artículo.

« Hay tantas aplicaciones potenciales para este sensor », dijo Cotruvo. « Personalmente, estoy particularmente interesado en ver cómo el manganeso interactúa con los patógenos ».

Explicó que el cuerpo trabaja duro para restringir el hierro que la mayoría de los patógenos bacterianos necesitan para sobrevivir, por lo que esos patógenos se convierten en manganeso.

« Sabemos que existe este tira y afloja de metales vitales entre el sistema inmunitario y estos patógenos invasores, pero no hemos podido comprender completamente esta dinámica, porque no pudimos verlos en tiempo real », dijo. y agregó que con nuevas capacidades para visualizar el proceso, los investigadores tienen herramientas para desarrollar potencialmente nuevos objetivos farmacológicos para una variedad de infecciones para las cuales ha surgido resistencia a los antibióticos comunes, como el estafilococo (MRSA).

El diseño de proteínas para unirse a metales particulares es un problema intrínsecamente difícil, explicó Cotruvo, porque hay muchas similitudes entre los metales de transición presentes en las células. Como resultado, ha habido una falta de herramientas de biología química con las que estudiar la fisiología del manganeso en células vivas.

« La pregunta para nosotros era, ¿podemos diseñar una proteína para que se una solo a una cosa, un ion de manganeso, incluso en presencia de un gran exceso de otras cosas de aspecto muy similar, como los iones de calcio, magnesio, hierro y zinc?  » Cotruvo dijo. « Lo que teníamos que hacer era crear un sitio de unión dispuesto de la manera correcta, de modo que este enlace proteico fuera más estable en el manganeso que en cualquier otro metal ».

Habiendo demostrado con éxito que lanmodulina es capaz de realizar tal tarea, el equipo ahora planea usarlo como un andamio desde el cual desarrollar otros tipos de herramientas biológicas para detectar y recuperar muchos iones metálicos diferentes que tienen importancia biológica y tecnológica.

« Si puedes descubrir formas de discriminar entre metales muy similares, eso es realmente poderoso », dijo Cotruvo. « Si podemos tomar lanmodulina y convertirla en una proteína que se une al manganeso, ¿qué más podemos hacer? »

Otros coautores del artículo son Joseph Mattocks y Jiansong Xu de Penn State; Michael Cleary, Huan Wang y Eric Gale, del Hospital General de Massachusetts y la Facultad de Medicina de Harvard; y Danyang Li y Somshuvra Mukhopadhyay de la Universidad de Texas en Austin.

Los Institutos Nacionales de Salud y la financiación inicial de Penn State apoyaron este trabajo.