高場核磁共振技術幫助揭示趨磁細菌生物礦化機制之謎

2020-12-08 中國科學院

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心王俊峰課題組與智能機械研究所副研究員羅濤合作，在趨磁細菌內磁小體蛋白Mms6調控磁性納米材料形成機制方面取得新進展，研究成果作為封面文章發表在材料科學雜誌《材料化學雜誌B》（Journal of Materials Chemistry B，2017, 5, 2888--2895）上。該工作對於揭示生物礦化機制具有重要意義。

　　自然界中許多動物能利用地磁場導航，如鴿子、海龜、蜥蜴等都發展出獨特的磁導航機制長途遷徙，而原核生物中的趨磁細菌（Magnetotactic bacteria）也能夠響應地磁場定向遊弋。趨磁細菌具有鞭毛和獨特的細胞內結構——磁小體（magnetosome）：鏈狀排布的磁小體作為細菌的「生物羅盤」，可以在地磁場或人工磁場中定向排列，結合鞭毛的動力系統使趨磁細菌可以感受磁場而移動。

　　每個磁小體單元都由納米尺寸的磁鐵礦顆粒和外面包裹的磁小體膜構成。磁小體粒徑分布約在40-50nm，具有高度均一性，相比目前工業生產的磁性納米材料，磁小體在磁性能、生物兼容性、穩定性、聲學性質、磁熱效等指標上具有明顯的優勢。趨磁細菌從周圍環境中選擇性吸取鐵元素，在嚴格的生物礦化機制調控下合成四氧化三鐵納米顆粒，並組裝成功能化的磁小體。其中趨磁細菌中mms6基因表達的Mms6蛋白在調控磁小體晶體形貌中起到至關重要的作用。成熟的Mms6在N端有一個疏水區域，預測其為膜結合區；C端有一個高酸性的結構域，推測是Mms6與鐵離子結合的區域，參與磁小體晶體的形成。前期大量實驗證明Mms6在體外和體內都具有直接的調控晶體形成的作用。然而Mms6和磁小體晶體的作用細節以及Mms6與生物膜的關係一直未得到詳細闡述。

　　近年來，王俊峰課題組基於前期膜蛋白工作基礎對Mms6蛋白進行了系列的研究，利用NMR技術，首次對Mms6及Mms6 C末端的結構構象進行了表徵，特別是對蛋白與納米晶體界面之間相互作用進行了系統的研究。實驗結果說明：在水溶液環境中，Mms6會自組裝形成蛋白微球（protein micelle），當加入磁小體時，Mms6蛋白C末端DEEVE區具有明顯的化學位移擾動，說明DEEVE直接參與了與磁小體晶面的作用，具有晶面識別的功能。同時Mms6的N端疏水區域對於Mms6蛋白在磁小體膜上的組裝排布具有重要作用，這種通過N端的疏水排布使C末端的DEEVE結構域形成正確的取向和空間排布，實現對晶面的識別，達到調控磁小體晶體的功能。

　　此項工作主要以NMR技術為主並結合一系列生物物理方法，揭示了趨磁細菌磁小體膜蛋白Mms6與磁小體納米晶體的作用識別機制。這些研究結果將為深入認識生物礦化的分子機制，為開發新型納米材料及應用提供堅實的理論基礎。

　　強磁場中心博士研究生馬坤和趙宏鑫共同作為文章的第一作者，強磁場中心研究員王俊峰、戴晗和智能所副研究員羅濤作為共同通訊作者。該課題依託國家穩態強磁場實驗裝置完成，項目實施過程中得到了國家自然科學基金委以及科技部項目的支持。

　　文章連結

 

該研究工作被選為封面文章

 

　　趨磁Mms6蛋白與磁小體晶體相互作用。a).磁小體晶體電鏡圖;b).Mms6與磁小體晶體相互作用核磁光譜;c).Mms6與磁小體晶體相互作用模式圖

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