Sponzen behoren tot de oudste dieren op aarde. Ze leven in een breed scala van wateren, van meren tot diepe oceanen. Opmerkelijk, het skelet van sommige sponzen is opgebouwd uit een netwerk van zeer symmetrische glasstructuren. Deze glazen steigers intrigeren onderzoekers al heel lang. Hoe manipuleren sponzen ongeordend glas in de skeletelementen die zo regelmatig zijn? Onderzoekers van B CUBE—Center for Molecular Bioengineering aan de TU Dresden zijn samen met de teams van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) en de Swiss Light Source van het Paul Scherrer Institute in Zwitserland de eersten die de driedimensionale (3-D ) structuur van een eiwit dat verantwoordelijk is voor glasvorming in sponzen. Ze leggen uit hoe de vroegste en in feite, het enige bekende natuurlijke eiwit-minerale kristal wordt gevormd. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Glazen sponzen hebben - zoals de naam al doet vermoeden - een op glas gebaseerd skelet dat bestaat uit een netwerk van glazen naalden, haken, sterren, en sferen. Om zo'n unieke architectuur te bereiken, moeten ze de vorm van ongeordend glas manipuleren om zeer regelmatige en symmetrische elementen te vormen. Dunne kristallijne vezels gemaakt van een eiwit, bekend als silicateïne, zijn aanwezig in kanalen binnenin deze glaselementen. Het is bekend dat silicaatkristallen verantwoordelijk zijn voor de glassynthese in sponzen en voor het vormen van het glasskelet. Echter, tot nu toe pogingen om de 3D-structuur van dit eiwit te bepalen, beschrijven hoe het zich tot kristallen vormt, en hoe die het glazen skelet vormden, waren niet succesvol. Hoofdzakelijk, omdat niemand deze kristallen in het lab kon reproduceren.

Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Igor Zlotnikov van het B CUBE -Center for Molecular Bioengineering aan de TU Dresden probeerde een ongebruikelijke aanpak. In plaats van silicateïne in het laboratorium te produceren en te proberen in het laboratorium gekweekte kristallen te verkrijgen om de structuur te bestuderen, de onderzoekers besloten om de glazen naalden van een sponsskelet te nemen en de kleine kristallen te analyseren die al binnenin bestaan.

De Zlotnikov-groep gebruikte samen met onderzoekers van het Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) om de silicateïnekristallen die in de glazen naalden zijn verpakt, van dichterbij te bekijken. "We hebben een uitzonderlijk geordende en tegelijkertijd complexe structuur waargenomen. Bij het analyseren van het monster hebben we gezien dat het een mengsel is van een organische en anorganische materie. Dit betekent dat zowel eiwitten als glas een hybride bovenbouw vormen die op de een of andere manier het skelet van sponzen vormt , " legt Dr. Zlotnikov uit.

Een traditionele manier om een ​​3D-structuur van een eiwit te verkrijgen, is door het kristal ervan bloot te stellen aan een bundel röntgenstralen. Elk eiwitkristal verstrooit de röntgenstralen op een andere manier en biedt een unieke momentopname van zijn interne rangschikking. Door het kristal te roteren en dergelijke snapshots vanuit vele hoeken te verzamelen, de onderzoekers kunnen computationele methoden gebruiken om de 3D-eiwitstructuur te bepalen. Een dergelijke benadering wordt veel gebruikt en vormt de basis van de moderne structurele biologie. Het werkt goed voor kristallen van ten minste 10 micron groot. Echter, de Zlotnikov-groep wilde silicaatkristallen analyseren die ongeveer 10 keer kleiner waren. Bij blootstelling aan röntgenstraling raakten ze vrijwel onmiddellijk beschadigd, waardoor het onmogelijk is om een ​​volledige dataset van snapshots vanuit meerdere hoeken te verzamelen.

Met ondersteuning van het team van PSI's Swiss Light Source (SLS), de onderzoekers gebruikten een nieuwe opkomende methode die bekend staat als seriële kristallografie. "Je combineert diffractiebeelden van veel kristallen, " zegt Filip Leonarski, beamline wetenschappers bij PSI, die bij het onderzoek betrokken was. "Met de traditionele methode maak je een film. Met de nieuwe methode krijg je veel snapshots die je achteraf combineert om de structuur te ontcijferen." Elke snapshot wordt genomen op een ander deel van het kleine kristal of zelfs van een ander kristal.

In totaal, de onderzoekers verzamelden meer dan 3500 individuele röntgendiffractie-snapshots van 90 glazen naalden in volledig willekeurige oriëntaties. Met behulp van state-of-the-art computationele methoden waren ze in staat om orde in de chaos te vinden en de gegevens te verzamelen om de eerste volledige 3D-structuur van silicateïne te bepalen.

"Vóór deze studie, de structuur van silicateïne werd verondersteld op basis van zijn gelijkenis met andere eiwitten, " zegt Dr. Zlotnikov. Met behulp van de nieuw verkregen 3D-structuur van silicateïne, de onderzoekers waren in staat om de samenstelling en functie ervan in het glazen skelet van de spons te begrijpen. Ze bouwden een rekenmodel van de bovenbouw in de glazen naald en legden de eerste complexe beelden uit van de eiwit-glas bovenstructuren die met de HRTEM werden verkregen.

"We hebben gedetailleerde informatie verstrekt over het bestaan ​​van een functionele 3D-eiwit-glas-superstructuur in een levend organisme. wat we beschrijven is het eerste bekende natuurlijk voorkomende hybride mineraal-eiwit kristallijne samenstel, " concludeert Dr. Zlotnikov.