令人惊讶的改造将普通蛋白质变成磁性雕刻家

发布日期：2019-01-26 浏览次数：156

通过研究一组不同寻常的磁性微生物，加州大学伯克利分校的科学家们发现了一种普遍存在的蛋白质家族的新功能。蛋白酶是在所有生物体中发现的主要酶，其通过咀嚼蛋白质而在一般的细胞维持和通信中起作用。在2016年3月16日在Open Access期刊PLOS Biology上发表的一篇论文中，Komeili实验室以及Hurley和Chang团队的合作者现在已经证明，一种名为MamO的细菌蛋白已经从一种常见的蛋白酶转变为一种无活性的酶。这有助于使用新型金属结合基序构建磁性纳米粒子。

许多生物，从哺乳动物到小型单细胞藻类，通过精心制作的三维矿物质为其细胞增添功能。这些“生物矿化”过程的产品在基础和工业环境中都非常有用。“我们想知道矿物质是如何建造在自然界的，因为它们构成了许多生物的基本生存策略，”Komeili博士说。此外，科学家们有兴趣模仿天然生物矿化系统来设计定制的纳米粒子，以用于许多应用。为了研究矿物生产的生物控制，Komeili和他的团队一直在研究一组叫做趋磁细菌的微生物，制造磁性晶体链，让细胞沿地球的地磁场游动。他们的研究重点是Magnetospirillum magneticum AMB-1，一种称为磁小体的小隔室的细菌，它容纳用于结晶铁原子以制造磁铁矿的机器。Komeili的研究小组知道在AMB-1的矿物形成的最早阶段需要两种蛋白质MamE和MamO。基于预测的与每个基因的DNA序列中的已知酶的相似性，两种蛋白质都被指定为蛋白酶。

为了了解蛋白质的工作原理，Komeili实验室的研究生David Hershey想要了解MamO的精确结构和活动。他们使用X射线晶体学来定义MamO的原子结构。乍一看，MamO采用的形状与其他蛋白酶非常相似。但通过更仔细地检查结构，Hershey和他的同事发现，MamO充满了变化，表明它已失去执行其蛋白酶功能的能力。相反，他们发现MamO具有意想不到的金属结合活性，这是AMB-1制造磁性晶体所必需的。他们的研究结果表明，这种古老的蛋白酶支架已经转化为一种新颖的金属结合特征。出奇，他们发现在所有主要的趋磁细菌群中都发生了类似于AMB-1中发现的过程。使用他们在MamO中鉴定的基序，他们表明这些非常多样化的物种的基因组也具有无活性的蛋白酶。通过追踪它们的进化轨迹，他们发现通过会聚进化在磁小体的整个进化过程中，无活性的蛋白酶已经多次出现。“我们真的认为这种不同寻常的东西只会发展一次。事实并非如此。这真的只是巩固了这个过程的不寻常程度，”David Hershey说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成使用他们在MamO中鉴定的基序，他们表明这些非常多样化的物种的基因组也具有无活性的蛋白酶。通过追踪它们的进化轨迹，他们发现通过会聚进化在磁小体的整个进化过程中，无活性的蛋白酶已经多次出现。“我们真的认为这种不同寻常的东西只会发展一次。事实并非如此。这真的只是巩固了这个过程的不寻常程度，”David Hershey说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成使用他们在MamO中鉴定的基序，他们表明这些非常多样化的物种的基因组也具有无活性的蛋白酶。通过追踪它们的进化轨迹，他们发现通过会聚进化在磁小体的整个进化过程中，无活性的蛋白酶已经多次出现。“我们真的认为这种不同寻常的东西只会发展一次。事实并非如此。这真的只是巩固了这个过程的不寻常程度，”David Hershey说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成通过追踪它们的进化轨迹，他们发现通过会聚进化在磁小体的整个进化过程中，无活性的蛋白酶已经多次出现。“我们真的认为这种不同寻常的东西只会发展一次。事实并非如此。这真的只是巩固了这个过程的不寻常程度，”David Hershey说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成通过追踪它们的进化轨迹，他们发现通过会聚进化在磁小体的整个进化过程中，无活性的蛋白酶已经多次出现。“我们真的认为这种不同寻常的东西只会发展一次。事实并非如此。这真的只是巩固了这个过程的不寻常程度，”David Hershey说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成大卫赫尔希说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成大卫赫尔希说。Komeili和他的团队认为，遥远过去环境的巨大变化提供了选择性的压力，需要存在非活性蛋白酶才能形成磁性纳米粒子。

关于MamO的结构，活动和进化的意外发现为未来生物矿化的一系列探索奠定了基础。Komeili的小组希望继续研究MamO在生物矿化中对金属结合的确切作用。MamO是否直接隔离铁来构建磁性晶体的核心?或者，它是否作为局部磁小体环境的监测系统，在适当的时间启动生物矿化?更广泛地说，Komeili博士希望MamO的金属结合活性可以利用简化的化学系统合成生产磁性颗粒。