Les chercheurs ont conçu le capteur à partir d’une protéine naturelle appelée lanmoduline, qui lie les éléments de terres rares avec une sélectivité élevée et a été découverte il y a 5 ans par certains des chercheurs de Penn State impliqués dans la présente étude.

Ils ont pu reprogrammer génétiquement la protéine pour favoriser le manganèse par rapport aux autres métaux de transition courants comme le fer et le cuivre, ce qui défie les tendances observées avec la plupart des molécules de liaison aux métaux de transition.

Le capteur pourrait avoir de vastes applications en biotechnologie pour faire progresser la compréhension de la photosynthèse, des interactions hôte-pathogène et de la neurobiologie. Il pourrait également être appliqué plus généralement pour des processus tels que la séparation des composants de métaux de transition (manganèse, cobalt et nickel) dans le recyclage des batteries lithium-ion.

L’équipe a récemment publié ses conclusions dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

« Nous pensons qu’il s’agit du premier capteur suffisamment sélectif pour le manganèse pour des études détaillées de ce métal dans les systèmes biologiques », a déclaré Jennifer Park, étudiante diplômée à Penn State et auteure principale de l’article. « Nous l’avons utilisé – et avons vu la dynamique de la façon dont le manganèse va et vient dans un système vivant, ce qui n’était pas possible auparavant. »

Elle a expliqué que l’équipe a pu surveiller le comportement du manganèse dans les bactéries et travaille maintenant à concevoir des capteurs de liaison encore plus étroits pour étudier potentiellement le fonctionnement du métal dans les systèmes de mammifères.

Comme le fer, le cuivre et le zinc, le manganèse est un métal essentiel pour les plantes et les animaux. Sa fonction est d’activer les enzymes – des molécules aux fonctions vitales dans les systèmes vivants. Par exemple, le manganèse est un élément clé du processus de photosynthèse chez les plantes – le manganèse est présent sur le site où l’eau est convertie en oxygène qui est au cœur de la photosynthèse. Chez l’homme, le manganèse est lié au développement neuronal. L’accumulation de manganèse en excès dans le cerveau induit une maladie motrice de type parkinsonien, alors que des niveaux réduits de manganèse ont été observés en association avec la maladie de Huntington, ont expliqué les chercheurs.

Cependant, la compréhension scientifique du manganèse est en retard sur celle des autres métaux essentiels, en partie à cause d’un manque de techniques pour visualiser sa concentration, sa localisation et son mouvement dans les cellules. Le nouveau capteur ouvre la porte à toutes sortes de nouvelles recherches, a expliqué Joseph Cotruvo, professeur agrégé de chimie à Penn State et auteur principal de l’article.

« Il y a tellement d’applications potentielles pour ce capteur », a déclaré Cotruvo. « Personnellement, je suis particulièrement intéressé à voir comment le manganèse interagit avec les agents pathogènes. »

Il a expliqué que le corps travaille dur pour limiter le fer dont la plupart des agents pathogènes bactériens ont besoin pour survivre, et que ces agents pathogènes se tournent donc plutôt vers le manganèse.

« Nous savons qu’il y a ce bras de fer pour les métaux vitaux entre le système immunitaire et ces agents pathogènes envahisseurs, mais nous n’avons pas été en mesure de comprendre pleinement ces dynamiques, car nous ne pouvions pas les voir en temps réel », a-t-il déclaré. , ajoutant qu’avec de nouvelles capacités pour visualiser le processus, les chercheurs disposent d’outils pour développer potentiellement de nouvelles cibles médicamenteuses pour une gamme d’infections pour lesquelles une résistance est apparue aux antibiotiques courants, comme le staphylocoque (SARM).

Concevoir des protéines pour se lier à des métaux particuliers est un problème intrinsèquement difficile, a expliqué Cotruvo, car il existe de nombreuses similitudes entre les métaux de transition présents dans les cellules. En conséquence, il y a eu un manque d’outils de biologie chimique avec lesquels étudier la physiologie du manganèse dans les cellules vivantes.

« La question pour nous était, pouvons-nous concevoir une protéine pour qu’elle ne se lie qu’à une seule chose, un ion manganèse, même en présence d’un énorme excès d’autres choses très similaires, comme les ions calcium, magnésium, fer et zinc ?  » dit Cotruvo. « Ce que nous devions faire était de créer un site de liaison disposé de la bonne manière, de sorte que cette liaison protéique soit plus stable dans le manganèse que tout autre métal. »

Ayant démontré avec succès que la lanmoduline est capable d’une telle tâche, l’équipe prévoit maintenant de l’utiliser comme échafaudage à partir duquel développer d’autres types d’outils biologiques pour détecter et récupérer de nombreux ions métalliques différents qui ont une importance biologique et technologique.

« Si vous pouvez trouver des moyens de faire la distinction entre des métaux très similaires, c’est vraiment puissant », a déclaré Cotruvo. « Si nous pouvons prendre de la lanmoduline et la transformer en une protéine liant le manganèse, alors que pouvons-nous faire d’autre ? »

Les autres co-auteurs de l’article sont Joseph Mattocks et Jiansong Xu de Penn State; Michael Cleary, Huan Wang et Eric Gale, du Massachusetts General Hospital et de la Harvard Medical School ; et Danyang Li et Somshuvra Mukhopadhyay de l’Université du Texas à Austin.

Les National Institutes of Health et le financement de démarrage de Penn State ont soutenu ce travail.