Ученые обнаружили детали нетрадиционного соединения между бактериальным белком и минералом, которое позволяет бактериям дышать, когда кислород недоступен.
Исследование, проведенное группой ученых из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab), может привести к новым инновациям в связывании белков с другими материалами для электронных устройств на биологической основе, таких как датчики, которые может диагностировать заболевание или обнаруживать загрязняющие вещества. Это также может помочь исследователям понять и контролировать химические реакции, вызванные этими взаимодействиями белок-материал.
«Перемещение электронов к металлам может вызвать рост или растворение различных минералов. Изучение того, как это делает белок, может помочь нам понять, как организмы перестраивают свою среду и производят биоминералы для зубов или защиты», - сказала Кэролайн Аджо-Франклин. штатный научный сотрудник отдела биологических наноструктур в молекулярной литейной лаборатории Беркли, которая является исследовательским центром нанонауки.
Аджо-Франклин возглавил исследование, опубликованное в Интернете в Журнале Американского химического общества в начале этого месяца.
«Понимание того, как выглядят эти взаимодействия между белками и материалами, может помочь нам лучше спроектировать их, - добавила она, - и даст нам представление о том, как связать живые клетки с устройствами».
Исследователи полагались на рентгеновскую методику Advanced Light Source лаборатории Беркли, известную как «отпечаток», чтобы точно определить химические связи между бактериальным белком и наночастицами, состоящими из железа и кислорода.
Исследование, которое выявило удивительно маленький и слабый сайт связывания, также выиграло от инструментов и опыта в молекулярной литейной лаборатории; и Объединенный институт биоэнергетики под руководством лаборатории, который специализируется на исследованиях биотоплива.
Структура этого экзотического белка ранее была изолированно картирована с деталями атомарного масштаба другими исследовательскими группами с использованием рентгеновской кристаллографии, для которой требовалась кристаллизованная форма белка. Но ученые не знали, как он связывается с металлсодержащим минералом - обычные методы не могут увидеть этот процесс связывания.
В 2014 году Аджо-Франклин узнал от Кори Ралстон, еще одного научного сотрудника лаборатории, работающего в отделе молекулярной биофизики и интегрированной биовизуализации (MBIB), о методе следа рентгеновской масс-спектрометрии, инновационном способе точного исследования белков. и их окружение с помощью рентгеновских лучей на Advanced Light Source.
Аджо-Франклин и Ралстон занимались отдельными лабораторными исследованиями и разработками, и они увидели, что эти два усилия могут на самом деле дополнять друг друга.
Ралстон переняла технику рентгеновского следа от своего бывшего советника Марка Чанса, профессора Университета Кейс Вестерн Резерв, который разработал метод рентгеновского следа в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. метод доступен только в ALS и Национальном источнике синхротронного света II в Брукхейвене (NSLS-II).
«Футпринтинг может рассказать вам, как взаимодействуют белки», - сказал Ралстон. «Он может предоставить структурную и динамическую информацию о белках, находящихся в близком к их естественному окружению».
Белок, выбранный для исследования, получен из бактерии, восстанавливающей металлы, Shewanella oneidensis, которая «ест сахар и в основном дышит минералами», когда кислород недоступен, отметил Аджо-Франклин. «Одна из причин, по которой эти организмы так интересно изучать, заключается в том, что они взаимодействуют с широким спектром материалов».
После того, как Тацуя Фукусима, бывший научный сотрудник лаборатории, который был одним из ведущих авторов исследования, нашел подходящий способ приготовления белка и наночастиц в жидком растворе для рентгеновских исследований, Саян Гупта, рентгеновский эксперт по лучевому отпечатку в отделении MBIB лаборатории Беркли использовал рентгеновский луч на усовершенствованном источнике света для изучения образцов.
«Мы делаем снимки состояния этой молекулы в определенное время», - сказал Гупта. «Это простая техника, которая дает много информации о нативном состоянии белка».
В этом методе рентгеновские лучи производят высокореактивные молекулы, известные как гидроксильные радикалы, когда они проходят через жидкий раствор, окружающий белок. Эти радикалы модифицируют белок таким образом, что ученые могут точно определить небольшие химические вариации там, где белок находится в контакте с раствором.
Области белка, которые взаимодействуют с другими белками или материалами, защищены от радикалов и не подвергаются химическим изменениям. Места, где белок не изменен, указывают, где происходит связывание.
В последнем исследовании эти химические снимки, полученные методом рентгеновского следа в разные моменты времени, были впоследствии проанализированы с использованием метода, известного как масс-спектрометрия, в Объединенном институте биоэнергетики.
Подробный анализ, проведенный Фукусимой, показал, как белок связан с минералом.
«Самым большим открытием, которое было весьма неожиданным, было то, что наши белки относительно слабо связываются», - сказал Аджо-Франклин. «Большинство белков, взаимодействующих с материалами, очень прочно связываются, изменяя форму по мере формирования этого соединения. Этот конкретный белок, по-видимому, вообще не меняет форму и взаимодействует с минералом только на небольшой площади, требуя для сравнения примерно в пять раз меньше энергии связи, чем типичные белки, образующие биоминералы..
Это на самом деле имеет большой смысл, добавила она. «Работа этого белка заключается в передаче электронов минералу, поэтому ему не нужно находиться в контакте очень долго».
В настоящее время исследовательская группа работает над изучением того, как этот и подобные белки взаимодействуют с рядом минералов.
«В этом семействе много белков», - сказал Аджо-Франклин. «Мы очень рады видеть, как эти белки взаимодействуют с различными материалами. Все ли они используют одну и ту же стратегию связывания?»
В этом исследовании уже представлены идеи о том, как перепроектировать эти белки, чтобы улучшить электронные связи и, следовательно, сделать более чувствительными биоэлектронные датчики - проект, над которым работает Аджо-Франклин.