(PhysOrg.com) -- Tillväxt av tvådimensionella S-skiktskristaller på stödda lipiddubbelskikt observerad i lösning med hjälp av in situ atomkraftsmikroskopi. Den här filmen visar proteiner som fastnar på det understödda lipiddubbelskiktet, bildar en mobil fas som kondenserar till amorfa kluster, och genomgår en fasövergång till kristallina kluster sammansatta av 2 till 15 tetramerer. Dessa initiala kluster går sedan in i en tillväxtfas där nya tetramerer bildas uteslutande vid obesatta gitterplatser längs klusterkanterna.

Genom att montera ett kristallint hölje runt en cell, ytskiktsproteiner (S-lager) fungerar som den första kontaktpunkten mellan bakterier, extremofiler och andra typer av mikrober och deras miljö. Nu, forskare vid Molecular Foundry, en nanovetenskaplig användaranläggning vid Berkeley Lab, har använt atomkraftsmikroskopi för att i realtid avbilda hur S-lagerproteiner bildar kristaller i en cellliknande miljö. Denna direkta observation av proteinsammansättning kan ge forskare insikt i hur mikroorganismer avvärjer antibiotika eller låser koldioxid i mineraler.

"Många proteiner sätts samman i högt ordnade strukturer som ger organismer kritiska funktioner, såsom cellvidhäftning till ytor, omvandling av CO ₂ till mineraler, spridning av sjukdomar, och läkemedelsresistens, sade James DeYoreo, Biträdande direktör för Molecular Foundry. "Detta arbete är det första som ger en direkt bild på molekylär nivå av monteringsvägen in vitro. När väl denna kunskap kan utvidgas till montering i ett levande system, det kan leda till strategier för att utnyttja eller störa dessa funktioner.”

Att reda ut vägen för S-skiktsbildning gör det möjligt för forskare att undersöka hur bakterier eller andra mikrober förhandlar om interaktioner med sin miljö. DeYoreo och kollegor använde in situ atomkraftsmikroskopi - en sondteknik som används för att studera en kristalls yta i dess naturliga miljö med atomär precision - för att se S-lagerproteiner samlas från lösning till en plan, biologiskt membran som kallas ett lipiddubbelskikt. Till skillnad från klassisk kristalltillväxt, där atomer formas till ordnade "frön" och växer i storlek, Teamet visade att S-lagerproteiner bildar ostrukturerade blobbar på dubbelskikten innan de omvandlas till en kristallin struktur under loppet av minuter.

"Vi kan faktiskt se dessa proteiner från lösning som klibbar och ordnas på lipiddubbelskikten där de spontant kondenserar till många proteinklumpar—då, minuter senare, de omvandlas till en kristallin struktur med ett kvadratiskt gitter av tetramerer, " sa Sungwook Chung, en stabsforskare vid Fysikaliska Biovetenskapsavdelningen och användare vid Molecular Foundry. "Detta är en viktig upptäckt eftersom det ger direkta bevis för en monteringsväg i flera steg med en mellanliggande, amorf fas som bildas innan den viks till en tvådimensionell, kristallin array."

Gjuteriets postdoktorande forskare Seong-Ho Shin, arbetar med gjuterichefen Carolyn Bertozzi, säger att förståelse för hur S-lager interagerar med sin miljö kan hjälpa till att inse hur organismer motstår antibakteriella läkemedel, eller hur mikrober förvandlar koldioxid till fasta karbonater. Bland de första proteinstrukturerna som användes för att organisera nanostrukturer, S-lager är också attraktiva ställningsmallmaterial för att odla eller organisera nanotrådar eller kvantprickar.

I en studie inspirerad av detta arbete, Gjuteriets forskare Steve Whitelam använde datormodellering för att undersöka kristallisationsvägar för modell S-lagerproteiner. När modellproteiner möter varandra, de kan hålla ihop i vilken vinkel som helst i vilken de kolliderar (förmedlad av icke-specifika interaktioner), eller bind i den korrekta orienteringen som behövs för att bilda en kristall (förmedlad av riktningsinteraktioner).

Genom att justera dessa interaktioner, Whitelam identifierade parameterregimer inom vilka ostrukturerade klumpar av proteiner bildas före kristallisering. Söker genom parameterutrymme, han fann att kristaller ofta bildas mer tillförlitligt om modellproteiner interagerar riktat och ospecifikt, snarare än genom enbart riktad interaktion. Vad mer, han lägger till, dessa fynd kan gälla olika typer av material.

"Många biologiska och oorganiska material samlas och kristalliseras genom mellanfaser som ofta är amorfa, sade Whitelam, som är i Foundry's Theory of Nanostructured Materials Facility. "Att utveckla en molekylär modell för kristallisation i ett visst system hjälper oss att förstå kristallisationsmekanismer i allmänhet."