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高場(chǎng)核磁共振技術(shù)幫助揭示趨磁細(xì)菌生物礦化機(jī)制之謎

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高場(chǎng)核磁共振技術(shù)幫助揭示趨磁細(xì)菌生物礦化機(jī)制之謎

摘要: 　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心王俊峰課題組與智能機(jī)械學(xué)習(xí)所副學(xué)習(xí)員羅濤合作，在趨磁細(xì)菌內(nèi)磁小體蛋白Mms6調(diào)控磁性納米材料形成機(jī)制方面取得新進(jìn)展，學(xué)習(xí)成果作為封面文章發(fā)表在材料科學(xué)雜 ...

　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心王俊峰課題組與智能機(jī)械學(xué)習(xí)所副學(xué)習(xí)員羅濤合作，在趨磁細(xì)菌內(nèi)磁小體蛋白Mms6調(diào)控磁性納米材料形成機(jī)制方面取得新進(jìn)展，學(xué)習(xí)成果作為封面文章發(fā)表在材料科學(xué)雜志材料化學(xué)雜志B（Journal of Materials Chemistry B，2017， 5， 2888--2895）上。該工作對(duì)于揭示生物礦化機(jī)制具有重要意義。
　　自然界中許多動(dòng)物能利用地磁場(chǎng)導(dǎo)航，如鴿子、海龜、蜥蜴等都發(fā)展出獨(dú)特的磁導(dǎo)航機(jī)制長(zhǎng)途遷徙，而原核生物中的趨磁細(xì)菌（Magnetotactic bacteria）也能夠響應(yīng)地磁場(chǎng)定向游弋。趨磁細(xì)菌具有鞭毛和獨(dú)特的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)——磁小體（magnetosome）：鏈狀排布的磁小體作為細(xì)菌的“生物羅盤”，可以在地磁場(chǎng)或人工磁場(chǎng)中定向排列，結(jié)合鞭毛的動(dòng)力系統(tǒng)使趨磁細(xì)菌可以感受磁場(chǎng)而移動(dòng)。
　　每個(gè)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(gòu)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(yè)生產(chǎn)的磁性納米材料，磁小體在磁性能、生物兼容性、穩(wěn)定性、聲學(xué)性質(zhì)、磁熱效等指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。趨磁細(xì)菌從周圍環(huán)境中選擇性吸取鐵元素，在嚴(yán)格的生物礦化機(jī)制調(diào)控下合成四氧化三鐵納米顆粒，并組裝成功能化的磁小體。其中趨磁細(xì)菌中mms6基因表達(dá)的Mms6蛋白在調(diào)控磁小體晶體形貌中起到至關(guān)重要的作用。成熟的Mms6在N端有一個(gè)疏水區(qū)域，預(yù)測(cè)其為膜結(jié)合區(qū)；C端有一個(gè)高酸性的結(jié)構(gòu)域，推測(cè)是Mms6與鐵離子結(jié)合的區(qū)域，參與磁小體晶體的形成。前期大量實(shí)驗(yàn)證明Mms6在體外和體內(nèi)都具有直接的調(diào)控晶體形成的作用。然而Mms6和磁小體晶體的作用細(xì)節(jié)以及Mms6與生物膜的關(guān)系一直未得到詳細(xì)闡述。
　　近年來，王俊峰課題組基于前期膜蛋白工作基礎(chǔ)對(duì)Mms6蛋白進(jìn)行了系列的學(xué)習(xí)，利用NMR技術(shù)，首次對(duì)Mms6及Mms6 C末端的結(jié)構(gòu)構(gòu)象進(jìn)行了表征，特別是對(duì)蛋白與納米晶體界面之間相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：在水溶液環(huán)境中，Mms6會(huì)自組裝形成蛋白微球（protein micelle），當(dāng)加入磁小體時(shí)，Mms6蛋白C末端DEEVE區(qū)具有明顯的化學(xué)位移擾動(dòng)，說明DEEVE直接參與了與磁小體晶面的作用，具有晶面識(shí)別的功能。同時(shí)Mms6的N端疏水區(qū)域?qū)τ贛ms6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(jié)構(gòu)域形成正確的取向和空間排布，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶面的識(shí)別，達(dá)到調(diào)控磁小體晶體的功能。
　　此項(xiàng)工作主要以NMR技術(shù)為主并結(jié)合一系列生物物理方法，揭示了趨磁細(xì)菌磁小體膜蛋白Mms6與磁小體納米晶體的作用識(shí)別機(jī)制。這些學(xué)習(xí)結(jié)果將為深入認(rèn)識(shí)生物礦化的分子機(jī)制，為開發(fā)新型納米材料及應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　強(qiáng)磁場(chǎng)中心博士學(xué)習(xí)生馬坤和趙宏鑫共同作為文章的第一作者，強(qiáng)磁場(chǎng)中心學(xué)習(xí)員王俊峰、戴晗和智能所副學(xué)習(xí)員羅濤作為共同通訊作者。該課題依托國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置完成，項(xiàng)目實(shí)施過程中得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及科技部項(xiàng)目的支持。
　　文章鏈接



　　該學(xué)習(xí)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高場(chǎng)核磁共振技術(shù)幫助揭示趨磁細(xì)菌生物礦化機(jī)制之謎  |  責(zé)任編輯：蟲子
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