Se proteiner direkte krystalvækst et trin ad gangen (med video)

(PhysOrg.com) -- Forskere ved Berkeley Labs Molecular Foundry afbildede væksten af ​​proteinbesatte mineraloverflader med hidtil uset opløsning og gav et indblik i, hvordan levende systemer konstruerer vigtige strukturelle materialer.

Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry har afbildet væksten af ​​proteinbesat mineraloverflader med hidtil uset opløsning, giver et indblik i vigtige strukturelle materialer udviklet af levende systemer. Holdets højopløsningsteknik afslører de naturlige mekanismer, der anvendes af væsner på havet og på kysten, og kunne give et middel til at observere og styre denne krystalvækst, når den opstår.

I millioner af år, organismer fra alger til mennesker har brugt biomineralisering - processen med at organisere mineraler som calciumcarbonat i biologiske systemer - til at generere skaller, rygsøjler, knogler og andre strukturelle materialer. For nylig, forskere er begyndt at optrevle strukturen og sammensætningen af ​​disse biomineraler. Imidlertid, at forstå, hvordan biomolekyler interagerer med mineraler for at danne disse komplekse arkitekturer, er fortsat en formidabel udfordring, da det kræver opløsning på molekylært niveau og hurtig billeddannelse, der ikke forstyrrer eller ændrer det lokale miljø.

Video:Atomic force mikroskopi film viser et peptid adsorberet til en krystal overflade, mens to på hinanden følgende krystal trin interagerer, derefter gå videre end peptidet. Peptidet bremser midlertidigt trinnet, før det overføres til det næste atomlag. Gittermønsteret på overfladen svarer til den underliggende krystals molekylære struktur.

Atomkraftmikroskopi, som sporer bakker og dale i nanometerskala på tværs af en krystals terræn med en skarp sonde, bruges ofte til at studere overflader. De afbøjninger, en sonde støder på på tværs af et materiale, omsættes til elektriske signaler, der derefter bruges til at skabe et billede af overfladen. Imidlertid, en omhyggelig balancegang er påkrævet for at opretholde opløsningen fra en skarp sonde og den nødvendige fleksibilitet for at efterlade bløde biologiske molekyler uforstyrrede. Nu, Molecular Foundry-forskere har udviklet et værktøj, der er i stand til at skelne sarte biologiske materialer og små bølger på en krystals overflade - alt sammen mens de ser mineraliseringsprocessen i nærvær af proteiner.

"Vi har fundet en tilgang til konsekvent at afbilde bløde makromolekyler på en hård krystaloverflade med molekylær opløsning, og vi har gjort det i opløsning og ved stuetemperatur, som er meget mere anvendelig til naturlige miljøer, " siger Jim DeYoreo, vicedirektør for Molekylærstøberiet, en national brugerfacilitet fra det amerikanske energiministerium placeret i Berkeley Lab, der yder støtte til nanovidenskabsforskere over hele verden.

"Med disse hybridprober, vi kan bogstaveligt talt se biomolekyler interagere med en krystaloverflade, når krystallen vokser et atomart trin ad gangen. Ingen har været i stand til at se denne proces med denne form for opløsning indtil nu, " siger Raymond Friddle, en post-doc stipendiat ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

DeYoreo, Friddel, medforfattere Matt Weaver og Roger Qiu (Lawrence Livermore National Laboratory), Bill Casey (University of California, Davis) og Andrzej Wierzbicki (University of Southern Alabama), brugte disse 'hybride' atomkraftmikroskopprober til at studere vekselvirkningerne mellem en voksende krystal af calciumoxalatmonohydrat, et mineral til stede i menneskelige nyresten, og peptider, polymermolekyler, der udfører metaboliske funktioner i levende celler. Disse hybridprober kombinerer skarphed og fleksibilitet, hvilket er afgørende for at opnå den hastighed og opløsning, der kræves for at overvåge den voksende krystal med minimal forstyrrelse af peptiderne.

Holdets resultater afslører en kompleks proces. På en positivt ladet facet af calciumoxalatmonohydrat, peptider danner en film, der fungerer som en kontakt til at slå krystalvækst til eller fra. Imidlertid, på en negativt ladet facet, peptider støder sammen på overfladen for at skabe klynger, der bremser eller accelererer krystalvækst.

"Vores resultater viser, at virkningerne af peptider på en krystal i vækst er langt mere kompliceret end med simplere, små molekyler. Formerne af peptider i opløsning har tendens til at svinge, og alt efter forholdene, de komplekse processer, hvorigennem peptider klæber til overflader, gør det muligt for dem at kontrollere krystalvækst som et sæt "switche", gasspjæld og bremser', " siger Friddle. "De kan enten bremse eller accelerere væksten, eller endda skift det skarpt fra on til off med små ændringer i løsningsforholdene."

Holdet planlægger at bruge deres nye tilgang til at undersøge grundlæggende fysik af krystaloverflader i løsninger og uddybe deres forståelse af, hvordan biomolekyler og krystaller interagerer. "Vi tror på, at disse resultater vil lægge grundlaget for bedre kontrol over teknologiske krystaller, biomimetiske tilgange til materialesyntese, og potentielle terapier for patologier i hårdt væv, ” tilføjer DeYoreo.