Stel je voor dat duizenden kopieën van een enkel eiwit zich organiseren in een maliënkolderpantser dat de drager beschermt tegen ruwe en steeds veranderende omgevingscondities. Dat is bij veel micro-organismen het geval. In een nieuwe studie, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben belangrijke details ontdekt in dit natuurlijke proces dat kan worden gebruikt voor de zelfassemblage van nanomaterialen tot complexe twee- en driedimensionale structuren.

Caroline Ajo-Franklin, een chemicus en synthetisch bioloog bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, leidde deze studie waarin high-throughput lichtverstrooiingsmetingen werden gebruikt om de zelfassemblage van 2D nanosheets van een gemeenschappelijk bacterieel oppervlaktelaag (S-laag) eiwit te onderzoeken. Dit eiwit, genaamd "SbpA, " vormt het beschermende pantser voor Lysinibacillus sphaericus, een bodembacterie die als gif wordt gebruikt om muggen te bestrijden. Uit hun onderzoek bleek dat calciumionen een sleutelrol spelen in hoe dit pantser wordt samengesteld. Twee sleutelrollen eigenlijk.

"Calciumionen zorgen niet alleen voor het vouwen van het eiwit in de juiste vorm voor de vorming van nanobladen, maar dienen ook om de nanosheets aan elkaar te binden, " zegt Ajo-Franklin. "Door lichtverstrooiing vast te stellen en te gebruiken als een proxy voor de vorming van SbpA-nanobladen, we waren in staat om te bepalen hoe het variëren van de concentraties van calciumionen en SbpA de grootte en vorm van het S-laagpantser beïnvloedt."

Details over deze studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano in een paper getiteld "Ion-Specific Control of the Self-Assembly Dynamics of a Nanostructured Protein Lattice." Ajo-Franklin is de corresponderende auteur. Co-auteurs zijn Behzad Rad, Thomas Haxton, Albert Shon, Seong-Ho Shin en Stephen Whitelam.

In de microbiële wereld van bacteriën en archaea, externe bedreigingen in overvloed. Hun omgeving kan overgaan van extreme hitte naar extreme kou, of van zeer zuur tot zeer basisch. Roofdieren zijn overal. Om zichzelf te beschermen, veel bacteriën en archaea omsluiten zichzelf in een schil van S-laag eiwitten. Hoewel wetenschappers al vele jaren van deze beschermende coating op de hoogte zijn, hoe het zich vormt, is een mysterie geweest.

Ajo-Franklin en haar collega's hebben zelf-assemblerende eiwitten onderzocht als een potentieel middel om nanostructuren te creëren met een complexe structuur en functie.

"Bij de Moleculaire Gieterij, we zijn heel goed geworden in het maken van nanomaterialen in verschillende vormen, maar we leren nog steeds hoe we deze materialen kunnen assembleren tot georganiseerde structuren, " zegt ze. "S-laag-eiwitten zijn overvloedige biologische eiwitten waarvan bekend is dat ze zichzelf assembleren tot 2D-kristallijne nanobladen met roostersymmetrieën en poriegroottes die ongeveer dezelfde afmetingen hebben als kwantumdots en nanobuisjes. Dit maakt ze tot een overtuigend modelsysteem voor het creëren van nanogestructureerde arrays van organische en anorganische materialen op een bottom-up manier."

In deze laatste studie lichtverstrooiingsmetingen werden gebruikt om diagrammen in kaart te brengen die de relatieve opbrengst van zelf-geassembleerde nanosheets over een breed scala aan concentraties van SbpA en calciumionen onthulden. In aanvulling, de effecten van het vervangen van calciumionen door mangaan- of bariumionen werden onderzocht om onderscheid te maken tussen een chemisch specifieke en generieke tweewaardige kationrol voor de calciumionen. Behzad Rad, de hoofdauteur van de ACS Nano papier, en medewerkers volgden lichtverstrooiing door licht in het zichtbare spectrum. Vervolgens correleerden ze het signaal met de vorming van nanobladen met behulp van elektronenmicroscopie en Small Angle X-ray Scattering (SAXS), een technologie die informatie kan verschaffen over moleculaire samenstellingen in zowat elk type oplossing. De SAXS-metingen werden verkregen bij de "SIBYLS beamline (12.3.1) van Berkeley Lab's Advanced Light Source.

"We hebben geleerd dat alleen calciumionen het SbpA-zelfassemblageproces activeren en dat de concentraties calciumionen in de cel te laag zijn om nanosheets te vormen, wat goed is voor de bacterie, " zegt Rad. "We ontdekten ook dat de tijdsevolutie van de lichtverstrooiingssporen consistent is met de onomkeerbare groei van platen uit een verwaarloosbaar kleine kern. Zodra vijf calciumionen binden aan een SbpA-eiwit, het proces begint en het kristal groeit heel snel. De kleine kern is wat onze lichtverstrooiingstechniek laat werken."

Ajo-Franklin, Rad en hun co-auteurs geloven dat hun lichtverstrooiingstechniek toepasbaar is op elk type eiwit dat zichzelf assembleert tot 2D nanosheets, en kan worden gebruikt om de groei van nanometer tot micrometerschaal te volgen.

Gezien de ruige aard van de S-laag-eiwitten en hun hechtende kwaliteit - bacteriën gebruiken hun S-laagpantser om zich aan hun omgeving te hechten - zijn er veel intrigerende toepassingen in afwachting van verder onderzoek.

"Een project dat we onderzoeken, is het gebruik van SbpA-eiwitten om hechtende nanostructuren te maken die kunnen worden gebruikt om metalen en andere verontreinigingen uit water te verwijderen, " zegt Ajo-Franklin. "Nu we zo'n goede greep hebben op hoe SbpA-eiwitten zichzelf assembleren, we willen ze graag gaan mixen en matchen met andere moleculen om nieuwe en bruikbare structuren te creëren."