Péptidos ricos en ácido aspártico adsorbidos en una superficie de cristal de oxalato de calcio monohidrato (COM). Los modelos de un péptido y una estructura cristalina de COM se superponen sobre una imagen de AFM recogida durante el crecimiento de la cara [010] de COM. La imagen de AFM renderizada revela la estructura molecular de la superficie del cristal, incluidos los sitios de torsión individuales a lo largo de un solo paso atómico. Los picos altos muestran los grupos de oxalato individuales y la dimensión a lo largo del borde inferior de la imagen es de 60 angstroms.
(PhysOrg.com) - Al producir algunas de las imágenes de más alta resolución de péptidos adheridos a superficies minerales, Los científicos tienen una comprensión más profunda de cómo las biomoléculas manipulan los cristales de crecimiento. Esta investigación puede conducir a un nuevo tratamiento para los cálculos renales utilizando biomoléculas.
La investigación, que aparece en la edición en línea del 23 de noviembre de la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , explora cómo los péptidos interactúan con las superficies minerales acelerando, cambiar e inhibir su crecimiento.
El equipo, compuesto por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, la Fundición Molecular en Lawrence Berkeley, la Universidad de California, Davis y la Universidad de Alabama, produjo por primera vez imágenes de resolución de una sola molécula de esta interacción péptido-mineral.
Los minerales inorgánicos juegan un papel importante en la mayoría de los organismos biológicos. Hueso, dientes, conchas protectoras o las intrincadas paredes celulares de las diatomeas marinas son algunas muestras de biomineralización, donde los organismos vivos forman estructuras utilizando material inorgánico. Algunos minerales también pueden tener efectos negativos en un organismo, como los cálculos renales y biliares, que provocan graves sufrimientos y daños internos en los seres humanos y otros mamíferos.
Comprender cómo los organismos limitan el crecimiento de minerales inorgánicos patológicos es importante para desarrollar nuevas estrategias de tratamiento. Pero descifrar las complejas vías que utilizan los organismos para crear estructuras fuertes y versátiles a partir de materiales relativamente simples no es tarea fácil. Para comprender mejor el proceso, los científicos intentan imitarlos en el laboratorio.
Al mejorar la potencia de resolución de un microscopio de fuerza atómica (AFM), los PNAS Los autores pudieron obtener imágenes de capas atómicas individuales del cristal interactuando con pequeños fragmentos de proteína, o péptidos, mientras caían sobre la superficie del cristal.
"Imágenes de biomoléculas que están unidas débilmente a una superficie, al mismo tiempo que se logra la resolución de una sola molécula, normalmente es difícil de hacer sin eliminar las moléculas, "dijo Raymond Friddle, becario postdoctoral LLNL. Pero el equipo mejoró los métodos anteriores y logró una resolución sin precedentes de la estructura molecular de la superficie del cristal durante la interacción dinámica de cada capa en crecimiento con los péptidos. "Pudimos observar cómo los péptidos se adhieren a la superficie, ralentizar temporalmente una capa del cristal en crecimiento, y sorprendentemente 'saltar' al siguiente nivel de la superficie del cristal ".
Las imágenes también revelaron un mecanismo que las moléculas pueden usar para unirse a superficies que normalmente las repelerían. Las imágenes de alta resolución mostraron que los péptidos se agruparán en caras de cristal que presentan la misma carga electrónica. Bajo ciertas condiciones, los péptidos ralentizarían el crecimiento, mientras que en otras condiciones los péptidos podrían acelerar el crecimiento.
En otra cara del cristal donde se esperaba que los péptidos se unieran fuertemente, los investigadores encontraron en cambio que los péptidos no se adhieren a la superficie a menos que el crecimiento de los cristales se ralentice. Los péptidos necesarios para unirse de una manera específica al rostro, que lleva más tiempo que un archivo adjunto no específico. Como resultado, las capas crecientes del cristal pudieron desprenderse de los péptidos cuando intentaron unirse.
Pero cuando los investigadores redujeron la velocidad de crecimiento de los cristales, los péptidos colapsaron sobre la superficie con tanta fuerza que detuvieron por completo su crecimiento. Los investigadores propusieron que el fenómeno se debe a las propiedades únicas de los biopolímeros, como péptidos o polielectrolitos, que fluctúan en solución antes de descansar en una configuración estable sobre una superficie.
"Los resultados de la catastrófica caída en el crecimiento de los péptidos sugieren formas en que los organismos logran protección contra la mineralización patológica, "dijo Jim De Yoreo, el líder del proyecto y subdirector de investigación en Molecular Foundry de LBNL. "Una vez que se detiene el crecimiento, se necesitará una concentración muy alta del mineral antes de que el crecimiento vuelva a alcanzar niveles significativos ".
Dijo diseñar modificadores de polielectrolitos en los que la carga, el tamaño y la capacidad de repeler el agua pueden variarse sistemáticamente, lo que permitiría a los investigadores crear el equivalente de "interruptores, aceleradores y frenos "para dirigir la cristalización.
Fuente:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
