Исследование, проведенное учеными из U.S. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Университет штата Мичиган в сотрудничестве с Ливерпульским университетом предоставляют новые подсказки для ученых, стремящихся использовать эти трехмерные структуры в качестве «нанореакторов», чтобы выборочно всасывать токсины или производить желаемые продукты.
Новое понимание может помочь ученым, которые стремятся использовать это естественное оригами, создавая новые отсеки или используя их в качестве основы для новых типов наноразмерных архитектур, таких как системы доставки лекарств.
«У нас есть новый ключ к пониманию архитектуры внутренних ячеек», – сказала Шерил Керфельд, структурный биолог из лаборатории Беркли, соавтор исследования. Ее исследовательская группа в лаборатории Беркли специализируется на структуре и внутренней работе этих крошечных отсеков, известных как бактериальные микрокомпартменты или BMC. Керфельд имеет совместные назначения с отделом молекулярной биофизики и интегрированной биовизуализации (MBIB) лаборатории Беркли и Университетом штата Мичиган.
«Обычно мы видим эти структуры только после того, как они сформировались, но в данном случае мы наблюдаем, как они собираются, и отвечаем на некоторые вопросы о том, как они образуются», – сказал Керфельд. "Это первый раз, когда кто-то визуализировал самосборку граней или сторон микрокамерок.
Это как видеть стены, состоящие из плиток шестиугольной формы, построенные невидимыми руками."
Исследование было опубликовано в сети в ноябре. 30 нано-буквами.
Было предложено несколько моделей того, как эти компартменты создаются с нуля внутри бактерий с помощью белков, и было много открытых вопросов о процессе строительства.
Исследователи объединили рентгеновские исследования трехмерной структуры белка, который напоминает шестиугольник, с изображениями с помощью атомно-силового микроскопа, чтобы выявить, как шестиугольники располагаются в виде сот в стенках микрокамер.
Маркус Саттер, ученый из лаборатории Беркли, который является ведущим автором исследования, определил трехмерную структуру основного строительного блока белка в Advanced Light Source в лаборатории Беркли, используя кристаллизованные образцы. Паттерны, полученные при попадании рентгеновских лучей на кристаллы белка, дают ключевые детали о форме белка в масштабе отдельных атомов. «Это дало нам некоторые точные размеры», – сказал Саттер, который помог интерпретировать изображения с микроскопа. «Он также показал нам, что шестиугольники имеют четкую сторону: одна сторона вогнутая, другая – выпуклая."
Ливерпульский атомно-силовой микроскоп BioAFM показал, что отдельные кусочки белка в форме шестиугольника естественным образом соединяются, образуя все более крупные белковые листы в жидком растворе. Шестиугольники собираются друг с другом только в том случае, если они имеют одинаковую ориентацию – выпуклый с выпуклым или вогнутый с вогнутым.
«Каким-то образом они выборочно следят за тем, чтобы в конечном итоге столкнуться лицом к лицу», – добавил Керфельд.
Исследование также показало, что отдельные части белкового листа в форме шестиугольника могут смещаться и перемещаться с одного белкового листа на другой.
Такая динамика может позволить полностью сформированным отсекам отремонтировать отдельные стороны.
Изученные белковые листы не просматривались внутри живых бактерий, хотя условия эксперимента под микроскопом были разработаны так, чтобы имитировать условия естественной бактериальной среды. «Мы думаем, что именно это происходит, когда эти компартменты собираются внутри микроба», – сказал Керфельд.
Некоторые исследования предполагают, что белковая оболочка микрокомпартментов может быть толщиной в несколько слоев. Однако это исследование предполагает, что фасетки оболочки состоят из одного белкового слоя. Саттер сказал, что это имеет смысл: известно, что отсеки избирательно допускают некоторый химический обмен между их содержимым и внешней средой, а более толстая оболочка может усложнить эти обмены.
Точный механизм этого химического обмена еще не совсем понятен. По словам исследователей, эту и другие загадки микрокомпартментов можно будет решить с помощью последующих исследований, направленных на регистрацию всего процесса сборки.
Полностью сформированные трехмерные микрокомпартменты имеют геометрию, напоминающую футбольный мяч, которая включает в себя, например, пятиугольные белковые структуры, известные как пентамеры, которые не были включены в последнее исследование.
«Святой Грааль – увидеть структуру и динамику неповрежденной оболочки, состоящей из нескольких различных типов гексагональных белков и пятиугольников, которые покрывают ее углы», – сказал Керфельд.
Возможно, что простое добавление этих пентамеров к белковым листам из последнего эксперимента может стимулировать рост полной трехмерной структуры, но Керфельд добавил: «Я не удивлюсь, если в этой истории есть что-то еще."
Как только мы узнаем больше о микрокомпартментах, вполне возможно, что их можно будет использовать для концентрации производства полезных ферментов, организации их для создания упорядоченной последовательности химических реакций или для удаления определенных токсинов из окружающей среды, сказала она.