高场核磁共振技术帮助揭示趋磁细菌生物矿化机制之谜

摘要: 　　近期，中国科学院合肥物质科学学习院强磁场科学中心王俊峰课题组与智能机械学习所副学习员罗涛合作，在趋磁细菌内磁小体蛋白Mms6调控磁性纳米材料形成机制方面取得新进展，学习成果作为封面文章发表在材料科学杂 ...

　　近期，中国科学院合肥物质科学学习院强磁场科学中心王俊峰课题组与智能机械学习所副学习员罗涛合作，在趋磁细菌内磁小体蛋白Mms6调控磁性纳米材料形成机制方面取得新进展，学习成果作为封面文章发表在材料科学杂志材料化学杂志B（Journal of Materials Chemistry B，2017， 5， 2888--2895）上。该工作对于揭示生物矿化机制具有重要意义。
　　自然界中许多动物能利用地磁场导航，如鸽子、海龟、蜥蜴等都发展出独特的磁导航机制长途迁徙，而原核生物中的趋磁细菌（Magnetotactic bacteria）也能够响应地磁场定向游弋。趋磁细菌具有鞭毛和独特的细胞内结构——磁小体（magnetosome）：链状排布的磁小体作为细菌的“生物罗盘”，可以在地磁场或人工磁场中定向排列，结合鞭毛的动力系统使趋磁细菌可以感受磁场而移动。
　　每个磁小体单元都由纳米尺寸的磁铁矿颗粒和外面包裹的磁小体膜构成。磁小体粒径分布约在40-50nm，具有高度均一性，相比目前工业生产的磁性纳米材料，磁小体在磁性能、生物兼容性、稳定性、声学性质、磁热效等指标上具有明显的优势。趋磁细菌从周围环境中选择性吸取铁元素，在严格的生物矿化机制调控下合成四氧化三铁纳米颗粒，并组装成功能化的磁小体。其中趋磁细菌中mms6基因表达的Mms6蛋白在调控磁小体晶体形貌中起到至关重要的作用。成熟的Mms6在N端有一个疏水区域，预测其为膜结合区；C端有一个高酸性的结构域，推测是Mms6与铁离子结合的区域，参与磁小体晶体的形成。前期大量实验证明Mms6在体外和体内都具有直接的调控晶体形成的作用。然而Mms6和磁小体晶体的作用细节以及Mms6与生物膜的关系一直未得到详细阐述。
　　近年来，王俊峰课题组基于前期膜蛋白工作基础对Mms6蛋白进行了系列的学习，利用NMR技术，首次对Mms6及Mms6 C末端的结构构象进行了表征，特别是对蛋白与纳米晶体界面之间相互作用进行了系统的学习。实验结果说明：在水溶液环境中，Mms6会自组装形成蛋白微球（protein micelle），当加入磁小体时，Mms6蛋白C末端DEEVE区具有明显的化学位移扰动，说明DEEVE直接参与了与磁小体晶面的作用，具有晶面识别的功能。同时Mms6的N端疏水区域对于Mms6蛋白在磁小体膜上的组装排布具有重要作用，这种通过N端的疏水排布使C末端的DEEVE结构域形成正确的取向和空间排布，实现对晶面的识别，达到调控磁小体晶体的功能。
　　此项工作主要以NMR技术为主并结合一系列生物物理方法，揭示了趋磁细菌磁小体膜蛋白Mms6与磁小体纳米晶体的作用识别机制。这些学习结果将为深入认识生物矿化的分子机制，为开发新型纳米材料及应用提供坚实的理论基础。
　　强磁场中心博士学习生马坤和赵宏鑫共同作为文章的第一作者，强磁场中心学习员王俊峰、戴晗和智能所副学习员罗涛作为共同通讯作者。该课题依托国家稳态强磁场实验装置完成，项目实施过程中得到了国家自然科学基金委以及科技部项目的支持。
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