Föreställ dig tusentals kopior av ett enda protein som organiseras i ett lager kedjepostrustning som skyddar bäraren från hårda och ständigt föränderliga miljöförhållanden. Så är fallet för många mikroorganismer. I en ny studie, forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har avslöjat viktiga detaljer i denna naturliga process som kan användas för självmontering av nanomaterial i komplexa två- och tredimensionella strukturer.

Caroline Ajo-Franklin, en kemist och syntetisk biolog vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ledde denna studie där mätningar med hög genomströmning av ljusspridning användes för att undersöka självmonteringen av 2D-nanoskikt från ett vanligt bakteriellt ytskikt (S-skikt) protein. Detta protein, kallas "SbpA, "utgör den skyddande rustningen för Lysinibacillus sphaericus, en markbakterie som används som ett toxin för att bekämpa mygg. Deras undersökning visade att kalciumjoner spelar en nyckelroll i hur denna rustning monteras. Två nyckelroller faktiskt.

"Kalciumjoner utlöser inte bara proteinets vikning till rätt form för bildning av nanoskikt, men tjänar också till att binda ihop nanoskikten, "Säger Ajo-Franklin." Genom att etablera och använda ljusspridning som en proxy för SbpA-nanosheetbildning, vi kunde avgöra hur olika koncentrationer av kalciumjoner och SbpA påverkar storleken och formen på S-lagers rustning. "

Detaljer om denna studie har publicerats i tidskriften ACS Nano i ett papper med titeln "Ionspecifik kontroll av självmonteringsdynamiken för ett nanostrukturerat proteingitter." Ajo-Franklin är motsvarande författare. Medförfattare är Behzad Rad, Thomas Haxton, Albert Shon, Seong-Ho Shin och Stephen Whitelam.

I den mikrobiella världen av bakterier och archaea, yttre hot finns i överflöd. Deras omgivande miljö kan övergå från extrem värme till extrem kyla, eller från mycket sur till mycket basisk. Rovdjur finns överallt. För att skydda sig själva, många bakterier och archaea innesluter sig i ett skal av S-skiktproteiner. Medan forskare har känt till denna skyddande beläggning i många år, hur det bildas har varit ett mysterium.

Ajo-Franklin och hennes kollegor har undersökt självmonterade proteiner som ett potentiellt sätt att skapa nanostrukturer med komplex struktur och funktion.

"På Molecular Foundry, vi har blivit riktigt bra på att göra nanomaterial till olika former men vi lär oss fortfarande hur vi kan montera dessa material till organiserade strukturer, "säger hon." S-skiktproteiner är rikliga biologiska proteiner som är kända för att självmonteras i 2D-kristallina nanoskikt med gittersymmetrier och porstorlekar som är ungefär samma dimensioner som kvantprickar och nanorör. Detta gör dem till ett övertygande modellsystem för att skapa nanostrukturerade matriser av organiska och oorganiska material på ett bottom-up-sätt. "

I denna senaste studie, ljusspridningsmätningar användes för att kartlägga diagram som avslöjade det relativa utbytet av självmonterade nanoskikt över ett stort antal koncentrationer av SbpA och kalciumjoner. Dessutom, effekterna av att ersätta mangan- eller bariumjoner med kalciumjoner undersöktes för att skilja mellan en kemiskt specifik och generisk tvåvärd katjonroll för kalciumjonerna. Behzad Rad, huvudförfattaren till ACS Nano papper, och medarbetare följde ljusspridning av ljus i det synliga spektrumet. De korrelerade sedan signalen till bildning av nanoskikt med hjälp av elektronmikroskopi och Small Angle X-ray Scattering (SAXS), en teknik som kan ge information om molekylära sammansättningar i nästan vilken typ av lösning som helst. SAXS -mätningarna erhölls vid "SIBYLS -strållinjen (12.3.1) i Berkeley Labs avancerade ljuskälla.

"Vi lärde oss att endast kalciumjoner utlöser SbpA självmonteringsprocessen och att koncentrationerna av kalciumjoner inuti cellen är för låga för att nanoskikt kan bildas, vilket är bra för bakterien, "säger Rad." Vi fann också att tidsutvecklingen för ljusspridningsspåren överensstämmer med den irreversibla tillväxten av ark från en försumbar liten kärna. Så snart fem kalciumjoner binder till ett SbpA -protein, processen startar och kristallen växer riktigt snabbt. Den lilla kärnan är det som får vår ljusspridningsteknik att fungera. "

Ajo-Franklin, Rad och deras medförfattare tror att deras ljusspridningsteknik är tillämplig på alla typer av proteiner som självmonteras i 2D-nanoskikt, och kan användas för att övervaka tillväxten från nanometern till mikrometerskalorna.

Med tanke på den robusta karaktären hos S -skiktproteinerna och deras vidhäftningskvalitet - bakterier använder sin S -lager rustning för att fästa sig vid sin omgivning - finns det många spännande applikationer som väntar på ytterligare studier.

"Ett projekt vi utforskar är att använda SbpA -proteiner för att göra självhäftande nanostrukturer som kan användas för att ta bort metaller och andra föroreningar från vatten, "Säger Ajo-Franklin." Nu när vi har så bra koll på hur SbpA-proteiner självmonteras, vi skulle vilja börja blanda och matcha dem med andra molekyler för att skapa nya och användbara strukturer. "