(Desde la izquierda) Sungwook Chung, Seong-Ho Shin, James DeYoreo y Carolyn Bertozzi con Molecular Foundry de Berkeley Lab, han utilizado la microscopía de fuerza atómica para estudiar cómo las proteínas bacterianas de la capa superficial forman cristales en un entorno similar a una célula. (Foto de Roy Kaltschmidt, Asuntos Públicos de Berkeley Lab).
(PhysOrg.com) - Crecimiento de cristales de capa S bidimensionales en bicapas lipídicas soportadas observadas en solución usando microscopía de fuerza atómica in situ. Esta película muestra proteínas adheridas a la bicapa lipídica soportada, formando una fase móvil que se condensa en racimos amorfos, y experimentar una transición de fase a grupos cristalinos compuestos de 2 a 15 tetrámeros. Estos grupos iniciales luego entran en una fase de crecimiento en la que se forman nuevos tetrámeros exclusivamente en sitios de celosía desocupados a lo largo de los bordes del grupo.
Al ensamblar una envoltura cristalina alrededor de una celda, Las proteínas de la capa superficial (capa S) sirven como el primer punto de contacto entre las bacterias, extremófilos y otros tipos de microbios y su entorno. Ahora, científicos de la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de nanociencia en Berkeley Lab, han utilizado microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes en tiempo real de cómo las proteínas de la capa S forman cristales en un entorno similar a una célula. Esta observación directa del ensamblaje de proteínas podría proporcionar a los investigadores una idea de cómo los microorganismos evitan los antibióticos o bloquean el dióxido de carbono en los minerales.
“Muchas proteínas se autoensamblan en estructuras altamente ordenadas que proporcionan a los organismos funciones críticas, como la adhesión celular a superficies, transformación de CO 2 en minerales, propagación de enfermedades, y resistencia a los medicamentos, "Dijo James DeYoreo, Subdirector de la Fundición Molecular. “Este trabajo es el primero en proporcionar una vista directa a nivel molecular de la vía de ensamblaje in vitro. Una vez que este conocimiento se pueda extender al ensamblaje en un sistema vivo, puede conducir a estrategias para capitalizar o interferir con estas funciones ".
Desentrañar el camino para la formación de la capa S permite a los científicos investigar cómo las bacterias u otros microbios negocian las interacciones con su entorno. DeYoreo y sus colegas emplearon la microscopía de fuerza atómica in situ, una técnica de sonda utilizada para estudiar la superficie de un cristal en su entorno natural con precisión atómica, para observar cómo las proteínas de la capa S se ensamblan a partir de una solución en un plano, membrana biológica llamada bicapa lipídica. A diferencia del crecimiento de cristales clásico, en el que los átomos se forman en "semillas" ordenadas y crecen en tamaño, El equipo mostró que las proteínas de la capa S forman manchas no estructuradas en las bicapas antes de transformarse en una estructura cristalina en el transcurso de minutos.
“De hecho, podemos ver que estas proteínas de la solución se adhieren y se organizan en las bicapas lipídicas, donde se condensan espontáneamente en muchas gotas de proteínas; luego, minutos más tarde, se transforman en una estructura cristalina con una red cuadrada de tetrámeros, ”Dijo Sungwook Chung, científico de planta en la División de Biociencias Físicas y usuario en Molecular Foundry. “Este es un descubrimiento importante, ya que brinda evidencia directa de una ruta de ensamblaje de múltiples etapas con un intermedio, formación de fase amorfa antes de plegarse en una bidimensional, matriz cristalina ".
Investigador postdoctoral de fundición Seong-Ho Shin, trabajando con la directora de fundición Carolyn Bertozzi, dice que comprender cómo las capas S interactúan con su entorno podría ayudar a reconocer cómo los organismos se resisten a los medicamentos antibacterianos, o cómo los microbios convierten el dióxido de carbono en carbonatos sólidos. Entre las primeras estructuras de proteínas que se utilizarán para organizar nanoestructuras, Las capas S también son materiales de plantilla de andamio atractivos para cultivar u organizar nanocables o puntos cuánticos.
En un estudio inspirado en este trabajo, Steve Whitelam, científico del personal de la fundición, utilizó modelos informáticos para investigar las vías de cristalización de las proteínas de la capa S modelo. A medida que las proteínas modelo se encuentran entre sí, pueden permanecer juntos en cualquier ángulo en el que chocan (mediado por interacciones no específicas), o unirse en la orientación correcta necesaria para formar un cristal (mediada por interacciones direccionales).
Al ajustar estas interacciones, Whitelam identificó regímenes de parámetros dentro de los cuales se forman manchas de proteínas no estructuradas antes de la cristalización. Buscando a través del espacio de parámetros, descubrió que los cristales a menudo se forman de manera más confiable si las proteínas modelo interactúan direccional e inespecíficamente, en lugar de solo a través de la interacción direccional. Y lo que es más, él añade, estos hallazgos pueden aplicarse a diferentes tipos de materiales.
“Muchos materiales biológicos e inorgánicos se ensamblan y cristalizan a través de fases intermedias que a menudo son amorfas, "Dijo Whitelam, quien está en la Instalación de Teoría de Materiales Nanoestructurados de Fundición. "Desarrollar un modelo molecular de cristalización en un sistema particular nos ayuda a comprender los mecanismos de cristalización en general".
