(PhysOrg.com) -- Groei van tweedimensionale S-laagkristallen op ondersteunde lipidedubbellagen waargenomen in oplossing met behulp van in situ atomaire krachtmicroscopie. Deze film laat zien dat eiwitten aan de ondersteunde lipidedubbellaag kleven, vormt een mobiele fase die condenseert tot amorfe clusters, en het ondergaan van een faseovergang naar kristallijne clusters bestaande uit 2 tot 15 tetrameren. Deze initiële clusters gaan dan een groeifase in waarin nieuwe tetrameren zich uitsluitend vormen op onbezette roosterplaatsen langs de clusterranden.

Door een kristallijnen omhulsel rond een cel te assembleren, oppervlaktelaag (S-laag) eiwitten dienen als het eerste contactpunt tussen bacteriën, extremofielen en andere soorten microben en hun omgeving. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit voor nanowetenschappen in Berkeley Lab, hebben atoomkrachtmicroscopie gebruikt om in realtime in beeld te brengen hoe S-laag-eiwitten kristallen vormen in een celachtige omgeving. Deze directe observatie van eiwitsamenstelling zou onderzoekers inzicht kunnen geven in hoe micro-organismen antibiotica afweren of koolstofdioxide in mineralen vasthouden.

“Veel eiwitten assembleren zichzelf tot zeer geordende structuren die organismen voorzien van kritieke functies, zoals celadhesie aan oppervlakken, transformatie van CO ₂ in mineralen, verspreiding van ziekten, en resistentie tegen medicijnen, " zei James DeYoreo, Adjunct-directeur van de Molecular Foundry. "Dit werk is het eerste dat een direct beeld op moleculair niveau geeft van de assemblageroute in vitro. Zodra deze kennis kan worden uitgebreid tot montage in een levend systeem, het kan leiden tot strategieën om op deze functies in te spelen of deze te verstoren.”

Door het pad voor S-laagvorming te ontrafelen, kunnen wetenschappers onderzoeken hoe bacteriën of andere microben omgaan met interacties met hun omgeving. DeYoreo en collega's gebruikten in situ atomaire krachtmicroscopie - een sondetechniek die wordt gebruikt om het oppervlak van een kristal in zijn natuurlijke omgeving met atomaire precisie te bestuderen - om S-laag-eiwitten te zien assembleren uit oplossing op een vlakke, biologisch membraan genaamd een lipide dubbellaag. In tegenstelling tot klassieke kristalgroei, waarin atomen zich tot geordende ‘zaden’ vormen en in omvang groeien, het team toonde aan dat S-laag-eiwitten ongestructureerde klodders vormen op de dubbellagen voordat ze in de loop van minuten in een kristallijne structuur transformeerden.

"We kunnen deze eiwitten daadwerkelijk zien aan de oplossing die plakt en zich rangschikt op de lipidedubbellagen waar ze spontaan condenseren tot veel eiwitklodders - dan, minuten later, ze transformeren in een kristallijne structuur met een vierkant rooster van tetrameren, " zei Sungwook Chung, een stafwetenschapper in de Physical Biosciences Division en gebruiker bij de Molecular Foundry. "Dit is een belangrijke ontdekking omdat het direct bewijs levert voor een meertraps assemblagetraject met een tussenliggende, amorfe fasevorming voordat deze wordt gevouwen tot een tweedimensionale, kristallijne reeks.”

Foundry postdoctoraal onderzoeker Seong-Ho Shin, in samenwerking met Foundry Director Carolyn Bertozzi, zegt dat inzicht in de interactie van S-lagen met hun omgeving kan helpen bij het herkennen hoe organismen antibacteriële geneesmiddelen weerstaan, of hoe microben koolstofdioxide omzetten in vaste carbonaten. Een van de eerste eiwitstructuren die worden gebruikt om nanostructuren te organiseren, S-lagen zijn ook aantrekkelijke sjabloonmaterialen voor het kweken of organiseren van nanodraden of kwantumdots.

In een studie geïnspireerd op dit werk, Wetenschapper van het gieterijpersoneel, Steve Whitelam, gebruikte computermodellering om kristallisatieroutes van model-S-laageiwitten te onderzoeken. Als modeleiwitten elkaar ontmoeten, ze kunnen aan elkaar plakken onder elke hoek waaronder ze botsen (gemedieerd door niet-specifieke interacties), of binden in de juiste richting die nodig is om een ​​kristal te vormen (gemedieerd door directionele interacties).

Door deze interacties aan te passen, Whitelam identificeerde parameterregimes waarbinnen zich voorafgaand aan kristallisatie ongestructureerde klodders eiwitten vormen. Zoeken door parameterruimte, hij ontdekte dat kristallen zich vaak betrouwbaarder vormen als modeleiwitten directioneel en niet-specifiek interageren, in plaats van door gerichte interactie alleen. Bovendien, hij voegt toe, deze bevindingen kunnen van toepassing zijn op verschillende soorten materialen.

“Veel biologische en anorganische materialen assembleren en kristalliseren via tussenfasen die vaak amorf zijn, " zei Whitelam, die in de Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility zit. "Het ontwikkelen van een moleculair model van kristallisatie in een bepaald systeem helpt ons de mechanismen van kristallisatie in het algemeen te begrijpen."