Las esponjas son algunos de los animales más antiguos de la Tierra. Viven en una amplia gama de aguas, desde lagos hasta océanos profundos. Notablemente, el esqueleto de algunas esponjas está construido a partir de una red de estructuras de vidrio altamente simétricas. Estos andamios de vidrio han intrigado a los investigadores durante mucho tiempo. ¿Cómo manipulan las esponjas el vidrio desordenado en los elementos esqueléticos que son tan regulares? Investigadores de B CUBE, Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden, junto con los equipos del Centro de Avanzada Electrónica de Dresde (cfaed) y la Fuente de Luz Suiza en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, son los primeros en determinar la tecnología tridimensional (3-D ) estructura de una proteína responsable de la formación de vidrio en esponjas. Explican cómo los primeros y, De hecho, se forma el único cristal mineral de proteína natural conocido. Los resultados fueron publicados en la revista PNAS .

Las esponjas de vidrio, como su nombre indica, tienen un esqueleto a base de vidrio compuesto por una red de agujas de vidrio, manos, estrellas, y esferas. Para lograr una arquitectura tan única, tienen que manipular la forma del vidrio desordenado para formar elementos muy regulares y simétricos. Fibras cristalinas delgadas hechas de una proteína, conocido como silicateína, están presentes en los canales dentro de estos elementos de vidrio. Se sabe que los cristales de silicateína son responsables de la síntesis de vidrio en esponjas y de dar forma al esqueleto de vidrio. Sin embargo, hasta ahora los esfuerzos por determinar la estructura tridimensional de esta proteína, describir cómo se ensambla en cristales, y cómo los que forman el esqueleto de vidrio no tuvieron éxito. Principalmente, porque nadie pudo reproducir estos cristales en el laboratorio.

Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Igor Zlotnikov del B CUBE –Center for Molecular Bioengineering en TU Dresden intentó un enfoque inusual. En lugar de producir silicateína en el laboratorio y tratar de obtener cristales cultivados en laboratorio para estudiar la estructura, los investigadores decidieron tomar las agujas de vidrio de un esqueleto de esponja y analizar los diminutos cristales que ya existen en su interior.

El grupo Zlotnikov junto con investigadores del Centro de Nanoanálisis de Dresde (DCN) en el Centro de Electrónica Avanzada de Dresde (cfaed) utilizó microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) para observar más de cerca los cristales de silicateína empaquetados dentro de las agujas de vidrio. "Hemos observado una estructura excepcionalmente ordenada y al mismo tiempo compleja. Analizando la muestra hemos visto que es una mezcla de materia orgánica e inorgánica. Lo que significa que tanto las proteínas como el vidrio forman una superestructura híbrida que de alguna manera da forma al esqueleto de las esponjas". , "explica el Dr. Zlotnikov.

Una forma tradicional de obtener una estructura tridimensional de una proteína es exponer su cristal a un haz de rayos X. Cada cristal de proteína dispersa los rayos X de una manera diferente, proporcionando una instantánea única de su disposición interna. Al girar el cristal y recopilar esas instantáneas desde muchos ángulos, los investigadores pueden utilizar métodos computacionales para determinar la estructura de la proteína en 3-D. Este enfoque se utiliza ampliamente y es la base de la biología estructural moderna. Funciona bien para cristales de al menos 10 micrones de tamaño. Sin embargo, el grupo de Zlotnikov quería analizar cristales de silicateína que eran unas 10 veces más pequeños. Cuando se expusieron a los rayos X, se dañaron casi de inmediato, lo que hace que sea imposible recopilar un conjunto de datos completo de instantáneas desde múltiples ángulos.

Con el apoyo del equipo de Swiss Light Source (SLS) de PSI, los investigadores utilizaron un nuevo método emergente conocido como cristalografía en serie. "Combinas imágenes de difracción de muchos cristales, "dice Filip Leonarski, científicos de líneas de luz en PSI, quién estuvo involucrado en el estudio. "Con el método tradicional grabas una película. Con el nuevo método obtienes muchas instantáneas que luego combinas para descifrar la estructura". Cada instantánea se toma en una parte diferente del diminuto cristal o incluso de un cristal diferente.

En total, los investigadores recolectaron más de 3500 instantáneas de difracción de rayos X individuales de 90 agujas de vidrio en orientaciones completamente aleatorias. Usando métodos computacionales de última generación, pudieron encontrar orden dentro del caos y reunir los datos para determinar la primera estructura tridimensional completa de silicateína.

"Antes de este estudio, la estructura de la silicateína se formuló en base a su similitud con otras proteínas, "dice el Dr. Zlotnikov. Usando la estructura tridimensional de silicateína recién obtenida, los investigadores pudieron comprender su ensamblaje y función dentro del esqueleto de vidrio de la esponja. Construyeron un modelo computacional de la superestructura dentro de la aguja de vidrio y explicaron las imágenes complejas iniciales de las superestructuras de proteína-vidrio obtenidas con el HRTEM.

"Proporcionamos información detallada sobre la existencia de una superestructura de vidrio de proteína tridimensional funcional en un organismo vivo. De hecho, lo que describimos es el primer ensamblaje cristalino híbrido mineral-proteína conocido de origen natural, "concluye el Dr. Zlotnikov.