(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van de Molecular Foundry van Berkeley Lab brachten de groei van met eiwitten bezaaide minerale oppervlakken in beeld met een ongekende resolutie en gaven een glimp van hoe levende systemen belangrijke structurele materialen ontwikkelen.

Wetenschappers van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben de groei van met eiwitten bezaaide minerale oppervlakken in beeld gebracht met een ongekende resolutie, geeft een glimp van de belangrijkste structurele materialen die zijn ontwikkeld door levende systemen. De hoge-resolutietechniek van het team onthult de natuurlijke mechanismen die worden gebruikt door wezens op zee en op de kust, en zou een middel kunnen zijn om deze kristalgroei te observeren en te sturen terwijl deze zich voordoet.

Al miljoenen jaren, organismen van algen tot mensen hebben biomineralisatie gebruikt - het proces van het organiseren van mineralen zoals calciumcarbonaat in biologische systemen - om schelpen te genereren, stekels, botten en andere structurele materialen. Onlangs, onderzoekers zijn begonnen met het ontrafelen van de structuur en samenstelling van deze biomineralen. Echter, begrijpen hoe biomoleculen interageren met mineralen om deze complexe architecturen te vormen, blijft een enorme uitdaging, omdat het een resolutie op moleculair niveau en snelle beeldvormingscapaciteiten vereist die de lokale omgeving niet verstoren of veranderen.

Video:Atoomkrachtmicroscopiefilm toont een peptide geadsorbeerd aan een kristaloppervlak terwijl twee opeenvolgende kristalstappen op elkaar inwerken, ga dan verder dan het peptide. Het peptide vertraagt ​​tijdelijk de stap voordat het wordt overgebracht naar de volgende atoomlaag. Het roosterpatroon op het oppervlak komt overeen met de moleculaire structuur van het onderliggende kristal.

Atoomkrachtmicroscopie, die heuvels en valleien op nanometerschaal volgt over het terrein van een kristal met een scherpe sonde, wordt vaak gebruikt om oppervlakken te bestuderen. De doorbuigingen die een sonde over een materiaal tegenkomt, worden vertaald in elektrische signalen en vervolgens gebruikt om een ​​afbeelding van het oppervlak te creëren. Echter, een zorgvuldige evenwichtsoefening is vereist om de resolutie van een scherpe sonde te behouden en de flexibiliteit die nodig is om zachte biologische moleculen onverstoord te laten. Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van Molecular Foundry hebben een hulpmiddel ontwikkeld dat in staat is om delicate biologische materialen en minuscule golvingen op het oppervlak van een kristal te onderscheiden, terwijl ze het mineralisatieproces in de aanwezigheid van eiwitten observeren.

"We hebben een benadering gevonden om zachte macromoleculen consistent af te beelden op een hard kristaloppervlak met moleculaire resolutie, en we hebben het in oplossing en bij kamertemperatuur gedaan, die veel meer van toepassing is op natuurlijke omgevingen, ", zegt Jim DeYoreo, adjunct-directeur van de Molecular Foundry, een US Department of Energy National User Facility in Berkeley Lab die ondersteuning biedt aan nanowetenschappelijke onderzoekers over de hele wereld.

“Met deze hybride sondes, we kunnen letterlijk zien hoe biomoleculen interageren met een kristaloppervlak terwijl het kristal stap voor stap groeit. Niemand heeft dit proces tot nu toe met dit soort resolutie kunnen volgen, " zegt Raymond Friddle, een postdoctoraal onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De Yoreo, Friddel, co-auteurs Matt Weaver en Roger Qiu (Lawrence Livermore National Laboratory), Bill Casey (Universiteit van Californië, Davis) en Andrzej Wierzbicki (Universiteit van Zuid-Alabama), gebruikte deze 'hybride' atoomkrachtmicroscoopsondes om de interacties tussen een groeiend kristal van calciumoxalaatmonohydraat te bestuderen, een mineraal dat aanwezig is in menselijke nierstenen, en peptiden, polymeermoleculen die metabolische functies uitvoeren in levende cellen. Deze hybride sondes combineren scherpte en flexibiliteit, wat cruciaal is voor het bereiken van de snelheid en resolutie die nodig zijn om het groeiende kristal te volgen met minimale verstoring van de peptiden.

De bevindingen van het team onthullen een complex proces. Op een positief geladen facet van calciumoxalaatmonohydraat, peptiden vormen een film die werkt als een schakelaar om kristalgroei aan of uit te zetten. Echter, op een negatief geladen facet, peptiden verdringen zich op het oppervlak om clusters te creëren die de kristalgroei vertragen of versnellen.

"Onze resultaten laten zien dat de effecten van peptiden op een groeiend kristal veel gecompliceerder zijn dan bij eenvoudiger, kleine moleculen. De vormen van peptiden in oplossing hebben de neiging te fluctueren, en afhankelijk van de omstandigheden, de complexe processen waardoor peptiden aan oppervlakken blijven kleven, stelt hen in staat de kristalgroei te beheersen als een reeks 'schakelaars, gas geven en remmen’, ' zegt Friddel. “Ze kunnen de groei vertragen of versnellen, of zelfs scherp van aan naar uit schakelen bij kleine veranderingen in de oplossingsomstandigheden.”

Het team is van plan om hun nieuwe benadering te gebruiken om fundamentele fysica van kristaloppervlakken in oplossingen te onderzoeken en hun begrip van hoe biomoleculen en kristallen op elkaar inwerken te verdiepen. “Wij geloven dat deze resultaten de basis zullen leggen voor een betere controle over technologische kristallen, biomimetische benaderingen van materiaalsynthese, en mogelijke therapieën voor pathologieën van hard weefsel, ” voegt DeYoreo toe.