(PhysOrg.com) -- Door enkele van de hoogste resolutiebeelden te produceren van peptiden die hechten aan minerale oppervlakken, wetenschappers begrijpen beter hoe biomoleculen de groeikristallen manipuleren. Dit onderzoek kan leiden tot een nieuwe behandeling van nierstenen met behulp van biomoleculen.

Het onderzoek, die verschijnt in de online editie van 23 november van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekt hoe peptiden interageren met minerale oppervlakken door te versnellen, schakelen en hun groei remmen.

Het team, bestaande uit onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory, de Moleculaire Gieterij in Lawrence Berkeley, de Universiteit van Californië, Davis en de Universiteit van Alabama, produceerde voor het eerst beelden met een resolutie van één molecuul van deze peptide-minerale interactie.

Anorganische mineralen spelen een belangrijke rol in de meeste biologische organismen. Bot, tanden, beschermende omhulsels of de ingewikkelde celwanden van mariene diatomeeën zijn enkele uitingen van biomineralisatie, waar levende organismen structuren vormen met anorganisch materiaal. Sommige mineralen kunnen ook negatieve effecten hebben op een organisme, zoals in nier- en galstenen, die leiden tot ernstig lijden en inwendige schade bij mensen en andere zoogdieren.

Begrijpen hoe organismen de groei van pathologische anorganische mineralen beperken, is belangrijk bij het ontwikkelen van nieuwe behandelingsstrategieën. Maar het ontcijferen van de complexe paden die organismen gebruiken om sterke en veelzijdige structuren te maken van relatief eenvoudige materialen is geen sinecure. Om het proces beter te begrijpen, wetenschappers proberen ze na te bootsen in het laboratorium.

Door het resolutievermogen van een Atomic Force Microscope (AFM) te verbeteren, de PNAS auteurs waren in staat om individuele atomaire lagen van het kristal in beeld te brengen in interactie met kleine eiwitfragmenten, of peptiden, terwijl ze op het oppervlak van het kristal vielen.

"Beeldvorming van biomoleculen die zwak aan een oppervlak zijn bevestigd, terwijl tegelijkertijd een resolutie van één molecuul wordt bereikt, is normaal gesproken moeilijk te doen zonder de moleculen eraf te slaan, " zei Raymond Friddle, een LLNL postdoctoraal onderzoeker. Maar het team verbeterde eerdere methoden en bereikte een ongekende resolutie van de moleculaire structuur van het kristaloppervlak tijdens de dynamische interactie van elke groeiende laag met peptiden. "We konden zien hoe peptiden zich aan het oppervlak hechten, tijdelijk een laag van het groeiende kristal vertragen, en verrassend 'hop' naar het volgende niveau van het kristaloppervlak."

De afbeeldingen onthulden ook een mechanisme dat moleculen kunnen gebruiken om zich te binden aan oppervlakken die ze normaal zouden afstoten. De afbeeldingen met hoge resolutie toonden aan dat peptiden zich zullen clusteren op kristalvlakken die dezelfde elektronische lading vertonen. Onder bepaalde omstandigheden zouden de peptiden de groei vertragen, terwijl onder andere omstandigheden de peptiden de groei zouden kunnen versnellen.

Op een andere zijde van het kristal, waar verwacht werd dat de peptiden sterk zouden binden, de onderzoekers ontdekten in plaats daarvan dat de peptiden zich niet aan het oppervlak hechtten tenzij de kristalgroei vertraagde. De peptiden die nodig zijn om op een specifieke manier aan het gezicht te binden, wat meer tijd kost dan een niet-specifieke bijlage. Als resultaat, de groeiende lagen van het kristal waren in staat om de peptiden af ​​te stoten terwijl ze probeerden te binden.

Maar toen de onderzoekers de kristalgroeisnelheid vertraagden, de peptiden stortten zo sterk op het oppervlak in dat ze de groei volledig stopten. De onderzoekers stelden voor dat het fenomeen te wijten is aan de unieke eigenschappen van biopolymeren, zoals peptiden of polyelektrolyten, die in oplossing fluctueren voordat ze in een stabiele configuratie op een oppervlak rusten.

"De resultaten van de catastrofale groeidaling door peptiden suggereren manieren waarop organismen bescherming krijgen tegen pathologische mineralisatie, " zei Jim De Yoreo, de projectleider en adjunct-directeur van onderzoek bij LBNL's Molecular Foundry. "Als de groei eenmaal is gestopt, een zeer hoge concentratie van het mineraal zal nodig zijn voordat de groei weer significante niveaus kan bereiken."

Hij zei dat hij polyelektrolytmodificatoren ontwerpt waarin de lading, grootte en het vermogen om water af te stoten systematisch kunnen worden gevarieerd, zouden onderzoekers het equivalent van "schakelaars, gashendels en remmen" voor het sturen van de kristallisatie.

Bron:Lawrence Livermore National Laboratory