Svampar är några av de äldsta djuren på jorden. De lever i ett brett spektrum av vatten, från sjöar till djupa hav. Anmärkningsvärt, skelettet hos vissa svampar är byggt av ett nätverk av högsymmetriska glasstrukturer. Dessa glasställningar har fascinerat forskare länge. Hur manipulerar svampar stört glas i skelettelementen som är så vanliga? Forskare från B CUBE — Center for Molecular Bioengineering vid TU Dresden tillsammans med teamen från Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) och den schweiziska ljuskällan vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz är de första som bestämmer den tredimensionella (3D) ) struktur av ett protein som är ansvarigt för glasbildning i svampar. De förklarar hur de tidigaste och faktiskt, den enda kända naturliga protein-mineralkristallen bildas. Resultaten publicerades i tidningen PNAS .

Glassvampar-som namnet antyder-har ett glasbaserat skelett som består av ett nätverk av glasnålar, krokar, stjärnor, och sfärer. För att uppnå en så unik arkitektur måste de manipulera formen på stört glas för att bilda mycket regelbundna och symmetriska element. Tunna kristallina fibrer gjorda av ett protein, känd som silikatin, finns i kanaler inuti dessa glaselement. Det är känt att silikatinkristaller är ansvariga för glassyntesen i svampar och för att forma glasskelettet. Dock, tills nu ansträngningar för att bestämma 3D-strukturen för detta protein, beskriv hur det samlas i kristaller, och hur de bildade glasskelettet misslyckades. Huvudsakligen, eftersom ingen kunde reproducera dessa kristaller i labbet.

Ett team av forskare under ledning av Dr Igor Zlotnikov från B CUBE –Center for Molecular Bioengineering vid TU Dresden försökte en ovanlig metod. I stället för att producera silikatin i laboratoriet och försöka få fram kristaller som labbats av laboratoriet för att studera strukturen, forskarna bestämde sig för att ta glasnålarna från ett svampskelett och analysera de små kristaller som redan finns inuti.

Zlotnikov-gruppen tillsammans med forskare från Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) vid Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) använde högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) för att titta närmare på silikatinkristaller packade inuti glasnålarna. "Vi har observerat en exceptionellt ordnad och samtidigt komplex struktur. Genom att analysera provet har vi sett att det är en blandning av ett organiskt och oorganiskt material. Det betyder att både proteiner och glas bildar en hybridöverbyggnad som på något sätt formar skelett av svampar , "förklarar Dr Zlotnikov.

Ett traditionellt sätt att erhålla en 3D-struktur av ett protein är att exponera dess kristall för en stråle av röntgenstrålar. Varje proteinkristall sprider röntgenstrålarna på ett annat sätt och ger en unik ögonblicksbild av dess interna arrangemang. Genom att rotera kristallen och samla sådana ögonblicksbilder från många vinklar, forskarna kan använda beräkningsmetoder för att bestämma 3D-proteinstrukturen. Ett sådant tillvägagångssätt används i stor utsträckning och är grunden för modern strukturbiologi. Det fungerar bra för kristaller med en storlek på minst 10 mikron. Dock, Zlotnikov -gruppen ville analysera silikatinkristaller som var cirka 10 gånger mindre. När de utsattes för röntgenstrålar skadades de nästan omedelbart, vilket gör det omöjligt att samla in en komplett datauppsättning ögonblicksbilder från flera vinklar.

Med stöd från teamet på PSI:s Swiss Light Source (SLS), forskarna använde en ny framväxande metod som kallas seriell kristallografi. "Du kombinerar diffraktionsbilder från många kristaller, "säger Filip Leonarski, beamline -forskare vid PSI, som var inblandad i studien. "Med den traditionella metoden spelar du in en film. Med den nya metoden får du många ögonblicksbilder som du kombinerar efteråt för att dechiffrera strukturen." Varje ögonblicksbild tas vid en annan del av den lilla kristallen eller till och med från en annan kristall.

Totalt, forskarna samlade in mer än 3500 individuella röntgendiffraktionsbilder från 90 glasnålar i helt slumpmässiga riktningar. Med hjälp av toppmoderna beräkningsmetoder kunde de hitta ordning i kaoset och samla data för att bestämma den första kompletta 3D-strukturen av silikatin.

"Innan denna studie strukturen för silikatin hypoteser baserat på dess likhet med andra proteiner, "säger Dr Zlotnikov. Med hjälp av den nyligen erhållna 3-D-strukturen av silikatin, forskarna kunde förstå dess sammansättning och funktion inne i svampens glasskelett. De byggde en beräkningsmodell av överbyggnaden i glasnålen och förklarade de inledande komplexa bilderna av protein-glasöverbyggnaderna som erhållits med HRTEM.

"Vi gav detaljerad information om förekomsten av en funktionell 3D-överbyggnad av proteinglas i en levande organism. Faktum är att vad vi beskriver är den första kända naturligt förekommande hybrid-mineral-protein-kristallina församlingen, "avslutar doktor Zlotnikov.