Berkeley laboratorieforskere afslører vejen til proteinkrystallisering (m/ video)

(PhysOrg.com) -- Vækst af todimensionelle S-lagskrystaller på understøttede lipiddobbeltlag observeret i opløsning ved hjælp af in situ atomkraftmikroskopi. Denne film viser proteiner, der klæber på det understøttede lipid-dobbeltlag, danner en mobil fase, der kondenserer til amorfe klynger, og undergår en faseovergang til krystallinske klynger sammensat af 2 til 15 tetramerer. Disse indledende klynger går derefter ind i en vækstfase, hvor nye tetramerer udelukkende dannes på ubesatte gittersteder langs klyngens kanter.

Ved at samle en krystallinsk konvolut omkring en celle, overfladelag (S-lag) proteiner tjener som det første kontaktpunkt mellem bakterier, ekstremofiler og andre typer mikrober og deres miljø. Nu, forskere ved Molecular Foundry, en nanovidenskabsbrugerfacilitet på Berkeley Lab, har brugt atomkraftmikroskopi til i realtid at afbilde, hvordan S-lagsproteiner danner krystaller i et cellelignende miljø. Denne direkte observation af proteinsamling kan give forskerne indsigt i, hvordan mikroorganismer afværger antibiotika eller låser kuldioxid i mineraler.

"Mange proteiner samler sig selv i højt ordnede strukturer, der giver organismer kritiske funktioner, såsom celleadhæsion til overflader, omdannelse af CO ₂ til mineraler, spredning af sygdom, og lægemiddelresistens, " sagde James DeYoreo, Vicedirektør i Molekylærstøberiet. "Dette arbejde er det første, der giver en direkte visning af molekylært niveau af samlingsvejen in vitro. Når først denne viden kan udvides til montering i et levende system, det kan føre til strategier til at udnytte eller forstyrre disse funktioner."

Optrævlingen af ​​vejen for S-lagsdannelse giver forskere mulighed for at undersøge, hvordan bakterier eller andre mikrober forhandler interaktioner med deres miljø. DeYoreo og kolleger brugte in situ atomkraftmikroskopi - en sondeteknik, der bruges til at studere en krystals overflade i dens naturlige omgivelser med atomær præcision - for at se S-lagsproteiner samle sig fra opløsning til en flad, biologisk membran kaldet et lipid-dobbeltlag. I modsætning til klassisk krystalvækst, hvor atomer dannes til ordnede 'frø' og vokser i størrelse, holdet viste S-lagsproteiner danner ustrukturerede klatter på dobbeltlagene, før de transformeres til en krystallinsk struktur i løbet af minutter.

"Vi kan faktisk se disse proteiner fra opløsning klæbe og arrangere på lipid-dobbeltlagene, hvor de spontant kondenserer til mange proteinklatter - så minutter senere, de omdannes til en krystallinsk struktur med et kvadratisk gitter af tetramerer, " sagde Sungwook Chung, en stabsforsker i Physical Biosciences Division og bruger på Molecular Foundry. "Dette er en vigtig opdagelse, da det giver direkte beviser for en flertrins samlingsvej med en mellemliggende, amorf fase dannes før foldning til en todimensional, krystallinsk array."

Støberi post-doc forsker Seong-Ho Shin, arbejder med støberidirektør Carolyn Bertozzi, siger, at forståelse af, hvordan S-lag interagerer med deres miljø, kan hjælpe med at erkende, hvordan organismer modstår antibakterielle lægemidler, eller hvordan mikrober omdanner kuldioxid til faste karbonater. Blandt de første proteinstrukturer, der skal bruges til at organisere nanostrukturer, S-lag er også attraktive stilladsskabelonmaterialer til dyrkning eller organisering af nanotråde eller kvanteprikker.

I en undersøgelse inspireret af dette arbejde, Støberiets videnskabsmand Steve Whitelam brugte computermodellering til at undersøge krystallisationsveje for model S-lagsproteiner. Når modelproteiner møder hinanden, de kan hænge sammen i enhver vinkel, hvor de støder sammen (medieret af ikke-specifikke interaktioner), eller bind i den korrekte orientering, der er nødvendig for at danne en krystal (medieret af retningsbestemte interaktioner).

Ved at justere disse interaktioner, Whitelam identificerede parameterregimer, inden for hvilke ustrukturerede klatter af proteiner dannes før krystallisation. Søgning gennem parameterrum, han fandt, at krystaller ofte dannes mere pålideligt, hvis modelproteiner interagerer retningsbestemt og uspecifikt, snarere end gennem retningsbestemt interaktion alene. Hvad mere er, tilføjer han, disse resultater kan gælde for forskellige slags materialer.

"Mange biologiske og uorganiske materialer samles og krystalliserer gennem mellemfaser, der ofte er amorfe, " sagde Whitelam, der er i Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility. "At udvikle en molekylær model for krystallisation i et bestemt system hjælper os med at forstå krystalliseringsmekanismer generelt."