(Phys.org) - Eiwitten kunnen zichzelf assembleren tot een breed scala aan sterk geordende structuren met een breed scala aan eigenschappen. Door biomimicry - technologische innovatie geïnspireerd door de natuur - hopen mensen eiwitten na te bootsen en onze eigen versie van zelfassemblerende moleculen te produceren. Een sleutel om dit te bereiken is begrijpen hoe eiwitvouwing - een proces dat cruciaal is voor de vorm en functie van een eiwit - wordt uitgebreid van individuele eiwitten tot complexe samenstellingen.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nu aangetoond dat een algemeen aanvaard concept als het beschrijven van de vouwing van een enkel individueel eiwit ook van toepassing is op de zelfassemblage van meerdere eiwitten. Hun bevindingen bieden belangrijke richtlijnen voor toekomstige biomimicry-inspanningen, met name voor de fabricage van apparaten en synthese op nanoschaal.

"We hebben de eerste directe waarnemingen gedaan dat het concept van een vouwtrechter met kinetische energievallen voor individuele eiwitten evenzeer kan worden toegepast op de assemblage van geordende eiwitstructuren, " zegt Jim DeYoreo, een wetenschapper bij de Molecular Foundry, een DOE nanoscience-centrum in Berkeley Lab, die dit onderzoek leidde samen met Berkeley Lab-chemicus Carolyn Bertozzi. "Onze resultaten vertellen ons dat inspanningen om de ontwerpregels voor de zelfassemblage van complexe moleculaire systemen te ontdekken en te codificeren, rekening moeten houden met de impact van kinetische vallen die verband houden met conformationele transformaties."

DeYoreo en Bertozzi zijn de corresponderende auteurs van een paper gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) die dit onderzoek rapporteerde. Het artikel is getiteld "Directe observatie van kinetische vallen geassocieerd met structurele transformaties die leiden tot meerdere routes van S-laagassemblage." Co-auteur van het artikel waren Seong-Ho Shin, Sungwook Chung, Babak Sanii en Luis Comolli.

Eiwitten zijn in wezen biomoleculaire nanomachines die in staat zijn talloze taken uit te voeren vanwege hun vermogen om zichzelf in een veelvoud aan vormen en vormen te vouwen. Wanneer individuele eiwitten zichzelf assembleren tot geordende structuren, neemt het resulterende ensemble vaak conformaties aan die heel verschillend zijn van die van de individuele componenten.

"Bijvoorbeeld, collageen matrices, die de organische steigers van botten en tanden vormen, zijn opgebouwd uit drievoudige helices van individuele collageenmonomeren, "zegt DeYoreo. "Deze helices zullen verder assembleren tot zeer georganiseerde gedraaide fibrillen die een pseudohexagonale symmetrie vertonen."

Het concept van de vouwtrechter verklaart individuele eiwitvouwing op basis van conformationele veranderingen om een ​​toestand van minimale vrije energie te bereiken. Een ongevouwen eiwit begint in een staat van hoge vrije energie die zijn conformatie onstabiel maakt. aanvankelijk, er zijn een aantal mogelijke driedimensionale conformaties die deze vrije energie zouden verminderen. Echter, als het eiwit begint te vouwen, de vrije energie begint te dalen en het aantal mogelijke conformaties begint af te nemen zoals de krimpende breedte van een trechter. De onderkant van de trechter wordt bereikt wanneer vrije energie wordt geminimaliseerd en er slechts één beschikbare conformatie is. Als de vrije energie daalt, echter, er kunnen onderweg kinetische vallen zijn die het vouwproces kunnen stoppen en het eiwit in gedeeltelijk gevouwen conformaties kunnen houden, bekend als gesmolten bolletjes en vouwende tussenproducten, voor langere tijd. Uiteindelijk zullen deze ingesloten conformatietoestanden worden omgezet in een stabiele conformatie, maar de vorm en vorm van die uiteindelijke conformatie wordt beïnvloed door de kinetische vallen.

"In een eiwitvouwtrechter, de trechterwanden worden verondersteld niet glad te zijn en de resulterende hobbels en dalen definiëren kinetische vallen, "DeYoreo zegt. "Dit fysieke beeld van vouwen is tot in detail onderzocht op het niveau van een enkel molecuul, maar is niet overwogen voor zelfassemblage van eiwitten in uitgebreide architecturen, hoewel conformationele transformaties een essentieel onderdeel zijn van het zelfassemblageproces."

De Yoreo, Bertozzi en hun collega's hebben stappen ondernomen om dit kennistekort te corrigeren door de oppervlaktelaag (S-laag) eiwitten te bestuderen die zichzelf assembleren tot een kristallijn membraan rond de afzonderlijke cellen van bacteriën en Archaea. Dit buitenmembraan dient als het eerste contactpunt tussen de microbe en zijn omgeving en is de sleutel tot het vermogen van de microbe om te overleven. Met behulp van in situ Atomic Force Microscopy (AFM), de onderzoekers beeldden in realtime en op moleculair niveau kinetische trapping af tijdens de 2D-zelfassemblage van S-laag-eiwitstructuren op mica-oppervlakken.

"We hebben waargenomen dat zelfassemblage van S-laageiwitten langs twee verschillende routes loopt, een die rechtstreeks naar de energiezuinige finale leidt, geordende staat, en de andere leidt tot een kinetische val die wordt ingenomen door een langlevende voorbijgaande staat die meer wanordelijk is, "zegt DeYoreo. "Hoewel beide toestanden gemakkelijk toegankelijk zijn tijdens kristalkiemvorming, als het systeem in de hoge energietoestand valt, ontsnappen naar de finale, lage-energietoestand wordt sterk belemmerd bij kamertemperatuur. Dit toont het belang aan van kinetische vallen bij het bepalen van de route van S-laagkristallisatie en suggereert dat het concept van vouwtrechters even geldig is voor zelfassemblage van uitgebreide eiwitstructuren."