Denna illustration visar hur sexkantiga bakterieproteiner (visas som bandliknande strukturer till höger och övre högra) självmonteras till ett bikakeliknande kaklat mönster (mitt och bakgrund). Denna kakelaktivitet, sett med ett atomupplöst mikroskop (uppe till vänster), representerar den tidiga bildningen av polyhedral, fotbollsliknande strukturer som kallas bakteriella mikrokompartiment eller BCM som fungerar som små fabriker för en rad specialiserade aktiviteter. Upphovsman:Berkeley Lab
Forskare har för första gången tittat på hur bakterieproteiner självmonteras till tunna ark och börjar bilda väggarna i det yttre skalet för nanostorlek polyhedrala fack som fungerar som specialiserade fabriker.
Forskningen, ledd av forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Michigan State University i samarbete med University of Liverpool, ger nya ledtrådar för forskare som vill använda dessa 3D-strukturer som "nanoreaktorer" för att selektivt suga in gifter eller slänga ut önskade produkter.
Den nya insikten kan hjälpa forskare som vill använda denna naturliga origami genom att designa nya fack eller använda dem som byggnadsställningar för nya typer av nanoskala arkitekturer, såsom läkemedelsleveranssystem.
"Vi har en ny aning om att förstå naturens inre cellarkitektur, "sa Cheryl Kerfeld, en strukturbiolog från Berkeley Lab som är en motsvarande författare till studien. Hennes forskargrupp vid Berkeley Lab är specialiserad på strukturen och inre funktionen i dessa små fack, kallas bakteriella mikrokompartiment eller BMC. Kerfeld har gemensamma möten med Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) -avdelning och Michigan State University.
"Vi får vanligtvis bara se dessa strukturer efter att de bildats, men i det här fallet ser vi dem samlas och svarar på några frågor om hur de bildas, "Sade Kerfeld." Det här är första gången någon har visualiserat självmonteringen av fasetterna, eller sidor, av mikroutrymmena. Det är som att se väggar, består av hexagonalt formade plattor, byggs av osynliga händer. "
Studien publicerades online den 30 november Nano bokstäver .
Flera modeller hade föreslagits för hur dessa fack är byggda från grunden inuti bakterier av proteiner, och det fanns många öppna frågor om byggprocessen.
Forskare kombinerade röntgenstudier av 3D-strukturen i ett protein som liknar en sexkant med avbildning med ett atomkraftmikroskop för att avslöja hur sexkantarna ordnas i ett bikakemönster i mikrofackets väggar.
Markus Sutter, en forskare från Berkeley Lab som är studiens huvudförfattare, bestämde 3D-strukturen för det grundläggande byggstenproteinet vid Advanced Light Source vid Berkeley Lab med användning av kristalliserade prover. Mönster som producerades när röntgenstrålar träffade proteinkristallerna gav viktiga detaljer om proteinets form, på skalan för enskilda atomer. "Det gav oss några exakta dimensioner, "Sutter sa, vilket hjälpte till att tolka mikroskopbilderna. "Det visade oss också att sexhörningar hade en distinkt sidosidighet:Ena sidan är konkav, den andra sidan är konvex. "
Liverpools atomkraftmikroskop, BioAFM, visade att enskilda hexagonformade proteinbitar naturligt sammanfogar för att bilda allt större proteinark i en flytande lösning. Sexkantarna monterades bara med varandra om de hade samma orientering - konvex med konvex eller konkav med konkav.
"På något sätt ser de selektivt till att de hamnar på samma sätt, "Tillade Kerfeld.
Studien fann också att enskilda hexagonformade bitar av proteinarket kan lossna och flytta från ett proteinark till ett annat. Sådan dynamik kan tillåta fullt utformade fack att reparera enskilda sidor.
Markus Sutter, en vetenskapsman från Berkeley Lab, bestämde 3D-atomstrukturen för ett bakterieprotein som självmonteras i bikakemönstrade ark med röntgenstrålar vid strålningslinjen 5.0.1 (bilden här) vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla. Upphovsman:Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab
Proteinarken som studerades sågs inte inuti levande bakterier, även om villkoren för mikroskopförsöket var utformade för att efterlikna de i den naturliga bakteriemiljön. "Vi tror att detta är vad som händer när dessa fack monteras inuti mikroben, Sa Kerfeld.
Vissa studier har föreslagit att proteinhöljet i mikrofack kan vara flera lager tjockt. Dock, denna studie tyder på att skalfasetterna består av ett enda proteinskikt. Sutter sa att detta är vettigt:Facken är kända för att selektivt tillåta vissa kemiska utbyten mellan deras innehåll och deras yttre miljö, och ett tjockare skal kan komplicera dessa utbyten.
Den exakta mekanismen för detta kemiska utbyte är ännu inte väl förstådd. Detta och andra mysterier i mikroutrymmena kan förhoppningsvis lösas med uppföljningsstudier som försöker krönika hela monteringsprocessen, sa forskarna.
Fullt formade 3D-mikrofack har en fotbollsliknande geometri som innehåller pentagonformade proteinstrukturer som kallas pentamerer, till exempel, som inte ingick i den senaste studien.
"Den heliga gralen är att se strukturen och dynamiken i ett intakt skal, består av flera olika typer av sexkantiga proteiner och med femkanterna som täcker dess hörn, Sa Kerfeld.
Det är möjligt att helt enkelt lägga till dessa pentamer till proteinarken från det senaste experimentet kan stimulera tillväxten av en komplett 3D-struktur, men Kerfeld tillade, "Jag skulle inte bli förvånad om det finns mer i historien."
När man har lärt sig mer om mikroutrymmena, det är tänkbart att de kan användas för att koncentrera produktionen av fördelaktiga enzymer, organisera dem för att producera en ordnad sekvens av kemiska reaktioner, eller för att ta bort särskilda gifter från den omgivande miljön, Hon sa.
