Peptider styrer krystalvækst med kontakter, gasspjæld og bremser

(PhysOrg.com) -- Ved at producere nogle af de højeste opløsningsbilleder af peptider, der binder til mineraloverflader, forskere har en dybere forståelse af, hvordan biomolekyler manipulerer vækstkrystallerne. Denne forskning kan føre til en ny behandling af nyresten ved hjælp af biomolekyler.

Forskningen, som vises i 23. november online-udgaven af ​​tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , udforsker, hvordan peptider interagerer med mineraloverflader ved at accelerere, skifte og hæmme deres vækst.

Holdet, består af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory, Molecular Foundry i Lawrence Berkeley, University of California, Davis og University of Alabama, for første gang producerede enkeltmolekyle opløsningsbilleder af denne peptid-mineral interaktion.

Uorganiske mineraler spiller en vigtig rolle i de fleste biologiske organismer. Knogle, tænder, beskyttende skaller eller de indviklede cellevægge af marine kiselalger er nogle visninger af biomineralisering, hvor levende organismer danner strukturer ved hjælp af uorganisk materiale. Nogle mineraler kan også have negative virkninger på en organisme, såsom i nyrer og galdesten, som fører til alvorlig lidelse og indre skader hos mennesker og andre pattedyr.

At forstå, hvordan organismer begrænser væksten af ​​patologiske uorganiske mineraler, er vigtig i udviklingen af ​​nye behandlingsstrategier. Men at dechifrere de komplekse veje, som organismer bruger til at skabe stærke og alsidige strukturer ud fra relativt simple materialer, er ingen let bedrift. For bedre at forstå processen, videnskabsmænd forsøger at efterligne dem i laboratoriet.

Ved at forbedre opløsningsevnen af ​​et Atomic Force Microscope (AFM), det PNAS forfattere var i stand til at afbilde individuelle atomlag af krystallen, der interagerer med små proteinfragmenter, eller peptider, da de faldt på overfladen af ​​krystallen.

"Imager biomolekyler, der er svagt knyttet til en overflade, samtidig med at man opnår enkelt-molekyle opløsning, er normalt svært at gøre uden at slå molekylerne af, " sagde Raymond Friddle, en LLNL postdoc. Men holdet forbedrede tidligere metoder og opnåede en hidtil uset opløsning af krystaloverfladens molekylære struktur under den dynamiske interaktion mellem hvert voksende lag med peptider. "Vi var i stand til at se peptider klæbe til overfladen, midlertidigt bremse et lag af den voksende krystal, og overraskende 'hop' til næste niveau af krystaloverfladen."

Billederne afslørede også en mekanisme, som molekyler kan bruge til at binde sig til overflader, der normalt ville frastøde dem. Billederne i høj opløsning viste, at peptider vil klynge sig sammen på krystalflader, der præsenterer den samme elektroniske ladning. Under visse forhold ville peptiderne bremse væksten, mens peptiderne under andre forhold kunne fremskynde væksten.

På en anden side af krystallen, hvor peptiderne forventedes at binde stærkt, forskerne fandt i stedet ud af, at peptiderne ikke hæftede sig til overfladen, medmindre krystalvæksten aftog. De peptider, der er nødvendige for at binde sig på en bestemt måde til ansigtet, hvilket tager mere tid end en uspecifik vedhæftning. Som resultat, de voksende lag af krystallen var i stand til at afgive peptiderne, da de forsøgte at binde.

Men da forskerne bremsede krystalvæksten, peptiderne kollapsede så kraftigt på overfladen, at de helt stoppede væksten. Forskerne foreslog, at fænomenet skyldes biopolymerernes unikke egenskaber, såsom peptider eller polyelektrolytter, som svinger i opløsning, før de hviler i en stabil konfiguration på en overflade.

"Resultaterne af det katastrofale fald i vækst af peptider antyder måder, hvorpå organismer opnår beskyttelse mod patologisk mineralisering, " sagde Jim De Yoreo, projektleder og vicedirektør for forskning ved LBNL's Molecular Foundry. "Når væksten er stoppet, en meget høj koncentration af mineralet vil være nødvendig, før væksten igen kan nå betydelige niveauer."

Han sagde at designe polyelektrolytmodifikatorer, hvor ladningen, størrelse og evne til at afvise vand kan varieres systematisk, ville give forskere mulighed for at skabe det, der svarer til "afbrydere, gasspjæld og bremser" til at styre krystallisation.

Kilde:Lawrence Livermore National Laboratory