(PhysOrg.com) - Forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry avbildade tillväxten av proteinbeströdda mineralytor med oöverträffad upplösning och gav en inblick i hur levande system konstruerar viktiga strukturella material.

Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Molecular Foundry har avbildat tillväxten av proteinfyllda mineralytor med oöverträffad upplösning, ger en inblick i viktiga strukturella material konstruerade av levande system. Teamets högupplösta teknik avslöjar de naturliga mekanismerna som används av varelser till havs och på stranden, och skulle kunna tillhandahålla ett sätt att observera och styra denna kristalltillväxt när den inträffar.

I miljontals år, organismer från alger till människor har använt biomineralisering - processen att organisera mineraler som kalciumkarbonat i biologiska system - för att generera skal, ryggar, ben och andra strukturella material. Nyligen, forskare har börjat reda ut strukturen och sammansättningen av dessa biomineraler. Dock, att förstå hur biomolekyler interagerar med mineraler för att bilda dessa komplexa arkitekturer är fortfarande en formidabel utmaning, eftersom det kräver upplösning på molekylär nivå och snabbbildskapacitet som inte stör eller förändrar den lokala miljön.

Video:Atomic force microscopy film visar en peptid adsorberad till en kristallyta medan två på varandra följande kristallsteg interagerar, fortskrid sedan bortom peptiden. Peptiden saktar temporärt ned steget innan den överförs till nästa atomlager. Gittermönstret på ytan motsvarar den underliggande kristallens molekylära struktur.

Atomkraftsmikroskopi, som spårar kullar och dalar i nanometerskala över en kristalls terräng med en vass sond, används ofta för att studera ytor. De avböjningar en sond möter över ett material översätts till elektriska signaler och används sedan för att skapa en bild av ytan. Dock, Det krävs en noggrann balansgång för att bibehålla upplösningen från en skarp sond och den flexibilitet som krävs för att lämna mjuka biologiska molekyler oberörda. Nu, Molecular Foundry-forskare har utvecklat ett verktyg som kan urskilja ömtåliga biologiska material och små vågor på en kristalls yta - allt samtidigt som de tittar på mineraliseringsprocessen i närvaro av proteiner.

"Vi har hittat ett tillvägagångssätt för att konsekvent avbilda mjuka makromolekyler på en hård kristallyta med molekylär upplösning, och vi har gjort det i lösning och vid rumstemperatur, som är mycket mer tillämplig på naturliga miljöer, säger Jim DeYoreo, biträdande direktör för Molecular Foundry, en US Department of Energy National User Facility belägen vid Berkeley Lab som ger stöd till nanovetenskapliga forskare runt om i världen.

"Med dessa hybridsonder, vi kan bokstavligen se biomolekyler interagera med en kristallyta när kristallen växer ett atomärt steg i taget. Ingen har kunnat se den här processen med den här typen av upplösning förrän nu, säger Raymond Friddle, en postdoktor vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

DeYoreo, Friddle, medförfattare Matt Weaver och Roger Qiu (Lawrence Livermore National Laboratory), Bill Casey (University of California, Davis) och Andrzej Wierzbicki (University of Southern Alabama), använde dessa "hybrid" atomkraftsmikroskopsonder för att studera interaktionerna mellan en växande kristall av kalciumoxalatmonohydrat, ett mineral som finns i mänskliga njursten, och peptider, polymermolekyler som utför metaboliska funktioner i levande celler. Dessa hybridsonder kombinerar skärpa och flexibilitet, vilket är avgörande för att uppnå den hastighet och upplösning som krävs för att övervaka den växande kristallen med minimal störning av peptiderna.

Teamets resultat avslöjar en komplex process. På en positivt laddad aspekt av kalciumoxalatmonohydrat, peptider bildar en film som fungerar som en omkopplare för att slå på eller av kristalltillväxt. Dock, på en negativt laddad aspekt, peptider tränger ihop sig på ytan för att skapa kluster som bromsar eller påskyndar kristalltillväxt.

"Våra resultat visar att effekterna av peptider på en växande kristall är mycket mer komplicerade än med enklare, små molekyler. Formerna på peptider i lösning tenderar att fluktuera, och beroende på förutsättningarna, de komplexa processerna genom vilka peptider fastnar på ytor tillåter dem att kontrollera kristalltillväxt som en uppsättning "switchar", gasreglage och bromsar', " säger Friddle. "De kan antingen bromsa eller påskynda tillväxten, eller till och med växla den skarpt från på till av med små förändringar i lösningsförhållandena."

Teamet planerar att använda sitt nya tillvägagångssätt för att undersöka grundläggande fysik för kristallytor i lösningar och fördjupa sin förståelse för hur biomolekyler och kristaller interagerar. "Vi tror att dessa resultat kommer att lägga grunden för bättre kontroll över tekniska kristaller, biomimetiska metoder för materialsyntes, och potentiella terapier för hårdvävnadspatologier, ” tillägger DeYoreo.