(PhysOrg.com) -- Genom att producera några av de högsta upplösningsbilderna av peptider som fäster på mineralytor, forskare har en djupare förståelse för hur biomolekyler manipulerar tillväxtkristallerna. Denna forskning kan leda till en ny behandling av njursten med hjälp av biomolekyler.

Forskningen, som visas i 23 november onlineupplagan av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , utforskar hur peptider interagerar med mineralytor genom att accelerera, byta och hämma deras tillväxt.

Laget, består av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory, Molecular Foundry i Lawrence Berkeley, University of California, Davis och University of Alabama, för första gången producerade bilder med en molekylupplösning av denna peptid-mineralinteraktion.

Oorganiska mineraler spelar en viktig roll i de flesta biologiska organismer. Ben, tänder, skyddande skal eller de invecklade cellväggarna hos marina kiselalger är några tecken på biomineralisering, där levande organismer bildar strukturer med hjälp av oorganiskt material. Vissa mineraler kan också ha negativa effekter på en organism som i njurar och gallsten, som leder till allvarligt lidande och inre skador hos människor och andra däggdjur.

Att förstå hur organismer begränsar tillväxten av patologiska oorganiska mineraler är viktigt för att utveckla nya behandlingsstrategier. Men att dechiffrera de komplexa vägar som organismer använder för att skapa starka och mångsidiga strukturer från relativt enkla material är ingen lätt bedrift. För att bättre förstå processen, forskare försöker efterlikna dem i laboratoriet.

Genom att förbättra upplösningsförmågan hos ett Atomic Force Microscope (AFM), de PNAS Författarna kunde avbilda enskilda atomlager av kristallen som interagerar med små proteinfragment, eller peptider, när de föll på kristallens yta.

"Avbilda biomolekyler som är svagt fästa på en yta, samtidigt som man uppnår en molekylupplösning, är normalt svårt att göra utan att slå av molekylerna, sa Raymond Friddle, en LLNL postdoktor. Men teamet förbättrade tidigare metoder och uppnådde oöverträffad upplösning av kristallytans molekylära struktur under den dynamiska interaktionen mellan varje växande lager med peptider. "Vi kunde se peptider fästa vid ytan, temporärt sakta ner ett lager av den växande kristallen, och överraskande "hoppa" till nästa nivå av kristallytan."

Bilderna avslöjade också en mekanism som molekyler kan använda för att binda till ytor som normalt skulle stöta bort dem. De högupplösta bilderna visade att peptider kommer att klunga ihop sig på kristallytor som uppvisar samma elektroniska laddning. Under vissa förhållanden skulle peptiderna bromsa tillväxten, medan peptiderna under andra förhållanden kunde påskynda tillväxten.

På en annan sida av kristallen, där peptiderna förväntades binda starkt, forskarna fann istället att peptiderna inte fäste på ytan om inte kristalltillväxten avtog. Peptiderna som behövs för att binda på ett specifikt sätt till ansiktet, som tar mer tid än en ospecifik bilaga. Som ett resultat, de växande lagren av kristallen kunde släppa av sig peptiderna när de försökte binda.

Men när forskarna saktade ner kristalltillväxthastigheten, peptiderna kollapsade på ytan så kraftigt att de helt stoppade tillväxten. Forskarna föreslog att fenomenet beror på de unika egenskaperna hos biopolymerer, såsom peptider eller polyelektrolyter, som fluktuerar i lösning innan de vilar i en stabil konfiguration på en yta.

"Resultaten av den katastrofala tillväxten av peptider tyder på hur organismer kan uppnå skydd mot patologisk mineralisering, sa Jim De Yoreo, projektledaren och biträdande forskningschefen vid LBNL:s Molecular Foundry. "När tillväxten väl stoppas, en mycket hög koncentration av mineralet kommer att behövas innan tillväxten igen kan nå betydande nivåer."

Han sa att designa polyelektrolytmodifierare där laddningen, storlek och förmåga att stöta bort vatten kan varieras systematiskt skulle tillåta forskare att skapa motsvarigheten till "strömbrytare, gasreglage och bromsar" för att styra kristallisation.

Källa:Lawrence Livermore National Laboratory