Wetenschappers hebben de details ontdekt van een onconventionele koppeling tussen een bacterieel eiwit en een mineraal waardoor de bacterie kan ademen als er geen zuurstof beschikbaar is.

Het onderzoek, uitgevoerd door een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), zou kunnen leiden tot nieuwe innovaties in het koppelen van eiwitten aan andere materialen voor biogebaseerde elektronische apparaten, zoals sensoren die ziekten kunnen diagnosticeren of verontreinigingen kunnen detecteren. Het kan onderzoekers ook helpen de chemische reacties te begrijpen en te beheersen die worden veroorzaakt door deze eiwit-materiaal-interacties.

"Door elektronen naar metalen te verplaatsen, kunnen verschillende mineralen groeien of oplossen. Door te bestuderen hoe een eiwit dit doet, kunnen we begrijpen hoe organismen hun omgeving hermodelleren en biomineralen maken voor tanden of bescherming, " zei Caroline Ajo-Franklin, een stafwetenschapper in de Biological Nanostructures Facility in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, dat is een onderzoekscentrum voor nanowetenschappen.

Ajo-Franklin leidde de studie, online gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society eerder deze maand.

"Als we begrijpen hoe deze interacties tussen eiwitten en materialen eruit zien, kunnen we ze beter ontwerpen, " voegde ze eraan toe, "en ons inzicht geven in hoe we levende cellen met apparaten kunnen verbinden."

Onderzoekers vertrouwden op een op röntgenstraling gebaseerde techniek bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), bekend als "voetafdruk, " om de chemische verbindingen tussen het bacteriële eiwit en nanodeeltjes bestaande uit ijzer en zuurstof te lokaliseren.

De studie, die een verrassend kleine en zwakke bindingsplaats identificeerde, profiteerde ook van tools en expertise in de Molecular Foundry van het Lab; en het door een laboratorium geleide Joint BioEnergy Institute, die gespecialiseerd is in onderzoek naar biobrandstoffen.

De structuur van dit exotische eiwit was eerder geïsoleerd in kaart gebracht met details op atomaire schaal door andere onderzoeksgroepen met behulp van röntgenkristallografie, waarvoor een gekristalliseerde vorm van het eiwit nodig was. Maar wetenschappers wisten niet hoe het aan het metaalbevattende mineraal gebonden was - conventionele technieken kunnen dit bindingsproces niet zien.

In 2014, Ajo-Franklin leerde van Corie Ralston, een andere laboratoriumonderzoeker die werkt in de afdeling Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), over de X-ray massaspectrometrie footprinting techniek, een innovatieve manier om eiwitten en hun omgeving nauwkeurig te onderzoeken met röntgenstralen bij de ALS.

Ajo-Franklin en Ralston voerden elk afzonderlijke laboratoriumgerichte onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten uit, en ze zagen dat de twee inspanningen eigenlijk complementair konden zijn.

Ralston had de X-ray footprinting-techniek overgenomen van haar voormalige adviseur, Mark Kans, een professor aan de Case Western Reserve University die de X-ray footprinting-techniek heeft ontwikkeld in het Brookhaven National Laboratory op Long Island, N.Y. Deze röntgentechniek is alleen beschikbaar bij de ALS en Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

"Voetafdrukken kunnen je vertellen hoe eiwitten op elkaar inwerken, "Zei Ralston. "Het kan structurele en dynamische informatie verschaffen over eiwitten in de buurt van hun oorspronkelijke omgeving."

Het voor het onderzoek geselecteerde eiwit is afkomstig van een metaalreducerende bacterie, Shewanella oneidensis, die "suiker eet en in feite mineralen inademt" wanneer zuurstof niet beschikbaar is, merkte Ajo-Franklin op. "Een van de redenen waarom deze organismen zo leuk zijn om te bestuderen, is dat ze een wisselwerking hebben met een breed scala aan materialen."

Na Tatsuya Fukushima, een voormalige Lab-wetenschapper die mede-hoofdauteur van de studie was, een geschikte manier gevonden om het eiwit en de nanodeeltjes in een vloeibare oplossing te bereiden voor röntgenonderzoek, Sayan Gupta, een X-ray footprinting-expert in de MBIB-divisie van Berkeley Lab, gebruikte een röntgenstraallijn bij de ALS om de monsters te bestuderen.

"We vangen de momentopnames van de toestand van dit molecuul op een bepaald moment, " zei Gupta. "Het is een eenvoudige techniek en geeft je veel informatie over de natuurlijke staat van een eiwit."

Bij deze techniek, Röntgenstralen produceren zeer reactieve moleculen die bekend staan ​​​​als hydroxylradicalen terwijl ze door de vloeibare oplossing rond het eiwit gaan. Deze radicalen wijzigen het eiwit op een manier die wetenschappers in staat stelt om kleine chemische variaties te lokaliseren waar het eiwit in contact komt met de oplossing.

De regio's van het eiwit die een interactie aangaan met andere eiwitten of materialen worden beschermd tegen de radicalen en zijn niet onderhevig aan de chemische veranderingen. De locaties waar het eiwit niet is veranderd, geven aan waar de binding plaatsvindt.

In de laatste studie, deze chemische snapshots geproduceerd door de X-ray footprinting-techniek op verschillende tijdstippen werden vervolgens geanalyseerd met behulp van een techniek die bekend staat als massaspectrometrie bij het Joint BioEnergy Institute.

Een gedetailleerde analyse door Fukushima onthulde hoe het eiwit zich verbond met het mineraal.

"De grootste vondst, dat was nogal verrassend, was dat onze eiwitten relatief zwak binden, "Ajo-Franklin zei. "De meeste eiwitten die een interface hebben met materialen binden heel stevig, " veranderen van vorm terwijl ze deze verbinding vormen. Dit specifieke eiwit lijkt helemaal niet van vorm te veranderen en heeft alleen een interactie met het mineraal in een klein gebied, die ongeveer vijf keer minder bindingsenergie nodig hebben, ter vergelijking, dan typische eiwitten die biomineralen vormen.

Dat is eigenlijk heel logisch, voegde ze eraan toe. "De taak van dit eiwit is om elektronen over te brengen naar het mineraal, dus het hoeft niet heel lang in contact te zijn."

Het onderzoeksteam onderzoekt nu hoe deze en soortgelijke eiwitten interageren met een reeks mineralen.

"Er zijn een heleboel eiwitten in deze familie, " Zei Ajo-Franklin. "We zijn erg opgewonden om te zien hoe deze eiwitten met verschillende materialen in wisselwerking staan. Gebruiken ze allemaal dezelfde bindende strategie?"

Deze studie geeft al ideeën over hoe deze eiwitten opnieuw kunnen worden ontworpen om betere elektronische verbindingen en dus gevoeligere bio-elektronische sensoren te maken - een project waaraan Ajo-Franklin werkt.