Naturens murværk:De første trin i, hvordan tynde proteinplader danner polyedriske skaller

Forskere har for første gang set, hvordan bakterielle proteiner selv samler sig til tynde plader og begynder at danne væggene i den ydre skal til polyedriske rum i nanostørrelse, der fungerer som specialiserede fabrikker.

Forskningen, ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Michigan State University i samarbejde med University of Liverpool, giver nye ledetråde til forskere, der søger at bruge disse 3D-strukturer som "nanoreaktorer" til selektivt at suge toksiner ind eller udskille ønskede produkter.

Den nye indsigt kan hjælpe forskere, der søger at udnytte denne naturlige origami ved at designe nye rum eller bruge dem som stillads til nye typer af nanoskalaarkitekturer, såsom medicinudleveringssystemer.

"Vi har et nyt fingerpeg om at forstå naturens indre cellearkitektur, " sagde Cheryl Kerfeld, en Berkeley Lab strukturel biolog, der er med-korresponderende forfatter på undersøgelsen. Hendes forskningsgruppe på Berkeley Lab har specialiseret sig i strukturen og den indre funktion af disse små rum, kendt som bakterielle mikrorum eller BMC'er. Kerfeld har fælles aftaler med Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division og Michigan State University.

"Vi kommer normalt først til at se disse strukturer, efter de er dannet, men i dette tilfælde ser vi dem samles og besvarer nogle spørgsmål om, hvordan de dannes, " sagde Kerfeld. "Dette er første gang nogen har visualiseret selvsamlingen af ​​facetterne, eller sider, af mikrorummene. Det er som at se vægge, består af sekskantede fliser, bliver bygget af usete hænder."

Undersøgelsen blev offentliggjort online 30. november in Nano bogstaver .

Flere modeller var blevet foreslået for, hvordan disse rum er bygget fra bunden inde i bakterier af proteiner, og der var mange åbne spørgsmål om byggeprocessen.

Forskere kombinerede røntgenundersøgelser af 3-D-strukturen af ​​et protein, der ligner en sekskant, med billeddannelse ved hjælp af et atomkraftmikroskop for at afsløre, hvordan sekskanterne arrangeres i et bikagemønster i mikrorummets vægge.

Markus Sutter, en Berkeley Lab videnskabsmand, der er undersøgelsens hovedforfatter, bestemte 3-D-strukturen af ​​det grundlæggende byggeblokprotein ved Advanced Light Source ved Berkeley Lab ved hjælp af krystalliserede prøver. Mønstre produceret, da røntgenstråler ramte proteinkrystallerne, gav vigtige detaljer om proteinets form, på skalaen af ​​individuelle atomer. "Det gav os nogle nøjagtige dimensioner, " sagde Sutter, som hjalp med at fortolke mikroskopbillederne. "Det viste os også, at sekskanter havde en tydelig sidehed:Den ene side er konkav, den anden side er konveks."

Liverpools atomkraftmikroskop, BioAFM, viste, at individuelle sekskantformede proteinstykker naturligt går sammen og danner stadig større proteinark i en flydende opløsning. Sekskanterne samlede sig kun med hinanden, hvis de havde samme orientering - konvekse med konvekse eller konkave med konkave.

"På en eller anden måde sørger de selektivt for, at de ender med at vende den samme vej, " tilføjede Kerfeld.

Undersøgelsen fandt også, at individuelle sekskantformede stykker af proteinarket kan løsne sig og flytte sig fra et proteinark til et andet. En sådan dynamik kan tillade fuldt udformede rum at reparere individuelle sider.

De undersøgte proteinark blev ikke set inde i levende bakterier, selvom betingelserne for mikroskopeksperimentet var designet til at efterligne dem i det naturlige bakterielle miljø. "Vi tror, ​​det er det, der foregår, når disse rum samles inde i mikroben, " sagde Kerfeld.

Nogle undersøgelser har foreslået, at proteinskallen i mikrorum kan være flere lag tyk. Imidlertid, denne undersøgelse tyder på, at skalfacetterne er sammensat af et enkelt proteinlag. Sutter sagde, at dette giver mening:Afdelingerne er kendt for selektivt at tillade nogle kemiske udvekslinger mellem deres indhold og deres ydre miljø, og en tykkere skal kunne komplicere disse udvekslinger.

Den nøjagtige mekanisme for denne kemiske udveksling er endnu ikke velforstået. Dette og andre mysterier i mikrorummene kan forhåbentlig løses med opfølgende undersøgelser, der søger at kronisere hele samlingsprocessen, sagde forskerne.

Fuldt dannede 3-D mikrorum har en fodboldlignende geometri, der inkorporerer femkantede proteinstrukturer kendt som pentamerer, for eksempel, som ikke var med i den seneste undersøgelse.

"Den hellige gral er at se strukturen og dynamikken i en intakt skal, sammensat af flere forskellige typer sekskantede proteiner og med de femkanter, der dækker hjørnerne, " sagde Kerfeld.

Det er muligt, at blot tilføjelse af disse pentamerer til proteinarkene fra det seneste eksperiment kan stimulere væksten af ​​en komplet 3-D struktur, men Kerfeld tilføjede, "Jeg ville ikke blive overrasket, hvis der er mere i historien."

En gang mere er blevet lært om mikrorummene, det er tænkeligt, at de kunne bruges til at koncentrere produktionen af ​​gavnlige enzymer, organisere dem til at producere en ordnet sekvens af kemiske reaktioner, eller for at fjerne bestemte toksiner fra det omgivende miljø, hun sagde.