Los científicos han visto por primera vez cómo las proteínas bacterianas se autoensamblan en láminas delgadas y comienzan a formar las paredes de la capa exterior de los compartimentos poliédricos de tamaño nanométrico que funcionan como fábricas especializadas.

La investigación, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Universidad Estatal de Michigan en colaboración con la Universidad de Liverpool, proporciona nuevas pistas para los científicos que buscan utilizar estas estructuras tridimensionales como "nanoreactores" para aspirar selectivamente toxinas o producir productos deseados.

La nueva información puede ayudar a los científicos que buscan aprovechar este origami natural diseñando nuevos compartimentos o usándolos como andamios para nuevos tipos de arquitecturas a nanoescala. como los sistemas de administración de fármacos.

"Tenemos una nueva pista para comprender la arquitectura de las células internas de la naturaleza, "dijo Cheryl Kerfeld, un biólogo estructural de Berkeley Lab que es coautor del estudio. Su grupo de investigación en Berkeley Lab se especializa en la estructura y el funcionamiento interno de estos pequeños compartimentos, conocidos como microcompartimentos bacterianos o BMC. Kerfeld tiene nombramientos conjuntos con la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada (MBIB) de Berkeley Lab y la Universidad Estatal de Michigan.

"Por lo general, solo podemos ver estas estructuras después de que se forman, pero en este caso los estamos viendo ensamblar y respondiendo algunas preguntas sobre cómo se forman, ", Dijo Kerfeld." Esta es la primera vez que alguien ha visualizado el autoensamblaje de las facetas, o lados, de los microcompartimentos. Es como ver paredes compuesto por baldosas de forma hexagonal, siendo construido por manos invisibles ".

El estudio fue publicado en línea el 30 de noviembre en Nano letras .

Se han propuesto varios modelos de cómo estos compartimentos se construyen desde cero dentro de las bacterias por medio de proteínas, y hubo muchas preguntas abiertas sobre el proceso de construcción.

Los investigadores combinaron estudios de rayos X de la estructura tridimensional de una proteína que se asemeja a un hexágono con imágenes de un microscopio de fuerza atómica para revelar cómo los hexágonos se organizan en un patrón de panal en las paredes del microcompartimento.

Markus Sutter, un científico de Berkeley Lab que es el autor principal del estudio, determinó la estructura tridimensional de la proteína del bloque de construcción básica en la fuente de luz avanzada en el laboratorio de Berkeley utilizando muestras cristalizadas. Los patrones producidos cuando los rayos X golpearon los cristales de proteína proporcionaron detalles clave sobre la forma de la proteína, a escala de átomos individuales. "Eso nos dio algunas dimensiones exactas, "Sutter dijo, que ayudó a interpretar las imágenes del microscopio. "También nos mostró que los hexágonos tenían lados distintos:un lado es cóncavo, el otro lado es convexo ".

Microscopio de fuerza atómica de Liverpool, BioAFM, mostró que los trozos de proteína individuales en forma de hexágono se unen naturalmente para formar láminas de proteínas cada vez más grandes en una solución líquida. Los hexágonos solo se ensamblaban entre sí si tenían la misma orientación:convexo con convexo o cóncavo con cóncavo.

"De alguna manera, se aseguran de forma selectiva de que terminen mirando de la misma manera, "Añadió Kerfeld.

El estudio también encontró que las piezas individuales en forma de hexágono de la hoja de proteína pueden desprenderse y moverse de una hoja de proteína a otra. Dicha dinámica puede permitir que compartimentos completamente formados repare los lados individuales.

Las láminas de proteínas estudiadas no se vieron dentro de bacterias vivas, aunque las condiciones del experimento del microscopio se diseñaron para imitar las del entorno bacteriano natural. "Creemos que esto es lo que sucede cuando estos compartimentos se ensamblan dentro del microbio, "Dijo Kerfeld.

Algunos estudios han propuesto que la capa de proteína de los microcompartimentos podría tener varias capas de espesor. Sin embargo, este estudio sugiere que las facetas de la cáscara están compuestas por una sola capa de proteína. Sutter dijo que esto tiene sentido:se sabe que los compartimentos permiten selectivamente algunos intercambios químicos entre su contenido y su entorno exterior, y un caparazón más grueso podría complicar estos intercambios.

El mecanismo exacto de este intercambio químico aún no se conoce bien. Es de esperar que este y otros misterios de los microcompartimentos puedan resolverse con estudios de seguimiento que busquen hacer una crónica del proceso de montaje completo, dijeron los investigadores.

Los microcompartimentos 3-D completamente formados tienen una geometría similar a una pelota de fútbol que incorpora estructuras de proteínas en forma de pentágono conocidas como pentámeros, por ejemplo, que no se incluyeron en el último estudio.

"El santo grial es ver la estructura y la dinámica de un caparazón intacto, compuesto por varios tipos diferentes de proteínas hexagonales y con los pentágonos que cubren sus esquinas, "Dijo Kerfeld.

Es posible que simplemente agregar estos pentámeros a las láminas de proteínas del último experimento pueda estimular el crecimiento de una estructura tridimensional completa, pero Kerfeld agregó, "No me sorprendería si hay más en la historia".

Una vez más se aprende sobre los microcompartimentos, es concebible que puedan utilizarse para concentrar la producción de enzimas beneficiosas, organizarlos para producir una secuencia ordenada de reacciones químicas, o para eliminar toxinas particulares del entorno circundante, ella dijo.