Fig 1. En ritning som visar ett knippe av 10 nanometer-diameter peptidfilament placerade i en hexagonal array. Liknande fenomen kan förekomma naturligt i cellernas cytoskelett, hornhinnan i ögat, och andra biologiska områden. Insats (nere till höger) visar molekylstrukturen för enskilda filament. (Bild med tillstånd av S.I. Stupp.)
(PhysOrg.com) - Experiment kan ibland leda till upptäckten av helt oväntade fenomen. Så är fallet med det anmärkningsvärda beteendet som uppvisas av peptidnanostrukturer (i form av supramolekylära filament) som observerats under experiment utförda av forskare från Northwestern University vid strållinje 5-ID av DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) Synchrotron Research Center vid US Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory.
Enligt professor Samuel Stupp, huvudförfattare till studien nyligen publicerad i Vetenskap , medan han "försökte belysa den hierarkiska organisationen av peptidnanostrukturer" upptäckte hans team att när de spreds i vatten, dessa trådformade nanostrukturer kunde organiseras i hexagonalt packade buntar. Forskarna blev förvånade över att finna att vid tillräckligt höga koncentrationer i lösning, filamenten kunde spontant självmontera till kristallina strukturer (de hexagonalt packade buntarna). Ännu mer överraskande var upptäckten att röntgenstrålarna som används för att undersöka nanostrukturerna också ibland utlöste kristallisering av filament. Detta arbete kan påverka vår förståelse av nanostrukturer i biologiska system och vår förmåga att kontrollera materialstrukturen.
Filamenten som användes för denna forskning hade diametrar på cirka 10 nanometer och längder i storleksordningen tiotals mikrometer. Filamenten härleddes från en syntetisk molekyl innehållande en kort peptidsekvens. Peptider är föreningar som innehåller två eller flera aminosyror. Här, Peptidsekvensen bestod av sex alaninaminosyramolekyler bundna till tre glutaminsyramolekyler - förkortat Ala 6 Glu 3 - som i sin tur ympades till en alkylmolekyl. De resulterande "supramolekylerna" monteras själv i vatten för att bilda trådarna.
En sekvens av experiment utformades för att avslöja arrangemanget av filamenten dispergerade i vatten. Olika vattenhaltiga koncentrationer av filamenten placerades inuti små 2 mm-diameter kvartskapillärer och studerades med användning av liten vinkel röntgenspridning (SAXS) vid DND-CAT-strållinjen. Koncentrationerna varierade från 0,5 till 5 viktprocent. SAXS-data visade att alla koncentrationer av filament aggregerade till buntar som uppvisade en hexagonal packning (se fig. 1). Organisering av filamenten i hexagonalt förpackade buntar (dvs. kristallisering) är ganska anmärkningsvärt. Men ännu mer anmärkningsvärt var observationen att den högre koncentrationen av trådar (2 och 5 viktprocent) spontant kristalliserade, medan lösningarna med lägre koncentration (0,5 och 1 viktprocent) kristalliserade endast genom röntgenexponering.
Enligt professor Stupp, kristallisationen av filamenten, antingen genom självmontering eller genom röntgenexponering, utgör fenomen som ”vi inte sett tidigare” i andra supramolekylära system. Stupp observerade också att "vid experimenten vid APS -synkrotronen, vi blev förvånade när vi upptäckte att röntgenstrålar kunde främja kristallisering."
En fascinerande egenskap hos den röntgeninducerade kristallisationen var processens reversibilitet, som faktiskt var synligt. Med hjälp av 1 viktprocent lösning, en kumulativ 200 sekunders röntgenstrålning gjorde den initialt transparenta lösningen ogenomskinlig, indikerar kristallisation. Efter röntgenstopp, lösningens opacitet minskade långsamt tills den var klar igen inom cirka 40 minuter, indikerar en återgång till oordning. Ett uppföljande SAXS-experiment exponerade lösningen för ett antal 4-sekunders röntgenskurar. Experimentella data visade att de ursprungligen orordnade filamenten (avslöjade av den första 4-sekunders exponeringen) gradvis genomgick en förändring av hexagonalt ordnade buntar filament som registrerades under de senaste röntgenexponeringarna. När experimentet upprepades två timmar senare, SAXS -data avslöjade att filamenten återigen var störda - den kristallina strukturen hade försvunnit.
Forskarna övervägde om främmande faktorer kan ha bidragit till filamentordning. Intensiva röntgenstrålar kan skapa nya kemiska föreningar i en lösning på grund av jonisering, samt producera subtil uppvärmning. Dock, efterföljande tester av trådlösningarna visade att varken oönskade kemiska arter, inte heller termiska effekter, hade spelat en roll i antingen de spontana eller röntgenutlösta kristallisationerna.
Angående den grundläggande mekanismen som är ansvarig för kristallisation, forskarna föreställer sig att den långsiktiga stabiliteten hos de kristallina domänerna är en balans mellan två motsatta spänningar:elektriska laddningar som finns på filamenten (antingen naturliga eller inducerade av röntgenbestrålning) tenderar att trycka isär trådknippen, medan infångning av trådar i det större nätverket leder till en inåt mekanisk komprimering.
Experimentella data visade att när filamentkoncentrationen ökade, antalet filament i buntar ökade också, tills en kritisk koncentration av trådar resulterade i deras spontana sexkantiga arrangemang i buntarna (dvs. kristallisation). Å andra sidan, lägre filamentkoncentrationer - oförmögna att spontant kristallisera - kunde bara göra det när röntgenstrålar ökade laddningstätheten på filamentens ytor, därigenom ändrar balansen mellan krafterna mellan filamenten till förmån för kristallisation.
Samma mekanism som skapade deras konstgjorda kristallina trådnätverk kan mycket väl fungera i biologiska celler, vilket ledde till att professor Stupp konstaterade att "denna forskning kan hjälpa oss att förstå organisationen av nanostrukturer i biologiska system, och kan också ha tillämpningar för att kontrollera materialstrukturen."
