Wetenschappers hebben voor het eerst gezien hoe bacteriële eiwitten zichzelf assembleren tot dunne platen en de wanden van de buitenste schil beginnen te vormen voor nano-sized polyedrische compartimenten die functioneren als gespecialiseerde fabrieken.

Het onderzoek, geleid door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en de Michigan State University in samenwerking met de University of Liverpool, biedt nieuwe aanwijzingen voor wetenschappers die deze 3D-structuren willen gebruiken als "nanoreactoren" om selectief toxines op te zuigen of gewenste producten te produceren.

Het nieuwe inzicht kan wetenschappers helpen die deze natuurlijke origami willen aanboren door nieuwe compartimenten te ontwerpen of ze te gebruiken als steiger voor nieuwe soorten nanoschaalarchitecturen, zoals medicijnafgiftesystemen.

"We hebben een nieuwe aanwijzing in het begrijpen van de interne celarchitectuur van de natuur, " zei Cheryl Kerfeld, een structurele bioloog van Berkeley Lab die co-corresponderende auteur is van het onderzoek. Haar onderzoeksgroep bij Berkeley Lab is gespecialiseerd in de structuur en de innerlijke werking van deze kleine compartimenten, zogenaamde bacteriële microcompartimenten of BMC's. Kerfeld heeft gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab's Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) Division en Michigan State University.

"Meestal krijgen we deze structuren pas te zien nadat ze gevormd zijn, maar in dit geval kijken we hoe ze zich verzamelen en beantwoorden we enkele vragen over hoe ze zich vormen, "Zei Kerfeld. "Dit is de eerste keer dat iemand de zelfassemblage van de facetten heeft gevisualiseerd, of zijkanten, van de microcompartimenten. Het is alsof je muren ziet, opgebouwd uit zeshoekige tegels, wordt gebouwd door onzichtbare handen."

De studie werd online gepubliceerd op 30 november in Nano-letters .

Er zijn verschillende modellen voorgesteld voor hoe deze compartimenten vanuit het niets in bacteriën worden opgebouwd door eiwitten, en er waren veel open vragen over het bouwproces.

Onderzoekers combineerden röntgenonderzoek van de 3D-structuur van een eiwit dat lijkt op een zeshoek met beeldvorming door een atoomkrachtmicroscoop om te onthullen hoe de zeshoeken in een honingraatpatroon in de wanden van het microcompartiment zijn gerangschikt.

Markus Sutter, een Berkeley Lab-wetenschapper die de hoofdauteur van de studie is, bepaalde de 3D-structuur van het basisbouwsteeneiwit bij de Advanced Light Source in Berkeley Lab met behulp van gekristalliseerde monsters. Patronen die werden geproduceerd toen röntgenstralen de eiwitkristallen troffen, leverden belangrijke details over de vorm van het eiwit, op de schaal van individuele atomen. "Dat gaf ons enkele exacte afmetingen, "Sutter zei, die hielpen bij het interpreteren van de microscoopbeelden. "Het liet ons ook zien dat zeshoeken een duidelijke zijdigheid hadden:de ene kant is hol, de andere kant is convex."

De atoomkrachtmicroscoop van Liverpool, BioAFM, toonde aan dat individuele zeshoekige eiwitstukjes van nature samenkomen om steeds grotere eiwitvellen te vormen in een vloeibare oplossing. De zeshoeken assembleerden alleen met elkaar als ze dezelfde oriëntatie hadden - convex met convex of concaaf met concaaf.

"Op de een of andere manier zorgen ze er selectief voor dat ze uiteindelijk op dezelfde manier worden geconfronteerd, ' voegde Kerfeld eraan toe.

De studie toonde ook aan dat individuele zeshoekige stukjes van het eiwitvel kunnen losraken en van het ene eiwitvel naar het andere kunnen bewegen. Een dergelijke dynamiek kan het mogelijk maken dat volledig gevormde compartimenten individuele zijden repareren.

De bestudeerde eiwitvellen werden niet in levende bacteriën bekeken, hoewel de omstandigheden van het microscoopexperiment waren ontworpen om die van de natuurlijke bacteriële omgeving na te bootsen. "We denken dat dit is wat er gebeurt als deze compartimenten samenkomen in de microbe, ' zei Kerfeld.

Sommige studies hebben voorgesteld dat de eiwitschil van microcompartimenten meerdere lagen dik kan zijn. Echter, deze studie suggereert dat de schaalfacetten zijn samengesteld uit een enkele eiwitlaag. Sutter zei dat dit logisch is:het is bekend dat de compartimenten selectief chemische uitwisselingen toestaan ​​tussen hun inhoud en hun buitenomgeving, en een dikkere schaal zou deze uitwisselingen kunnen bemoeilijken.

Het exacte mechanisme voor deze chemische uitwisseling is nog niet goed begrepen. Deze en andere mysteries van de microcompartimenten kunnen hopelijk worden opgelost met vervolgstudies die het volledige assemblageproces proberen te beschrijven, aldus de onderzoekers.

Volledig gevormde 3D-microcompartimenten hebben een voetbalachtige geometrie met vijfhoekige eiwitstructuren die bekend staan ​​als pentameren, bijvoorbeeld, die niet in de laatste studie waren opgenomen.

"De heilige graal is om de structuur en dynamiek van een intact omhulsel te zien, samengesteld uit verschillende soorten hexagonale eiwitten en met de vijfhoeken die de hoeken afdekken, ' zei Kerfeld.

Het is mogelijk dat het simpelweg toevoegen van deze pentameren aan de eiwitvellen van het laatste experiment de groei van een complete 3D-structuur zou kunnen stimuleren, maar Kerfeld voegde eraan toe, "Het zou me niet verbazen als er meer in het verhaal zit."

Eens te meer wordt geleerd over de microcompartimenten, het is denkbaar dat ze kunnen worden gebruikt om de productie van nuttige enzymen te concentreren, organiseer ze om een ​​geordende opeenvolging van chemische reacties te produceren, of om bepaalde gifstoffen uit de omgeving te verwijderen, ze zei.