海綿是地球上最古老的動物。它們生活在從湖泊到深海的廣泛水域中。值得注意的是，一些海綿的骨架是由高度對稱的玻璃結構網(wǎng)絡構成的。這些玻璃支架在很長一段時間內(nèi)引起了研究人員的興趣。海綿如何將無序的玻璃操縱到如此規(guī)則的骨骼元素中?德累斯頓工業(yè)大學分子生物工程中心B CUBE的研究人員，德累斯頓電子技術先進研究中心(cfaed)和瑞士Paul Scherrer研究所的瑞士光源團隊共同確定了三維(3-D)。 )負責在海綿中形成玻璃的蛋白質的結構。他們解釋了最早，實際上是唯一已知的天然蛋白質礦物質晶體是如何形成的。PNAS。

顧名思義，玻璃海綿具有基于玻璃的骨架，該骨架由玻璃針，鉤，星星和球體組成。為了實現(xiàn)這種獨特的架構，他們必須操縱無序玻璃的形狀以形成高度規(guī)則和對稱的元素。在這些玻璃元件內(nèi)部的通道中存在由蛋白質制成的細晶體纖維，稱為硅酸鹽。眾所周知，硅酸鹽晶體負責海綿中的玻璃合成和玻璃骨架的成型。然而，直到現(xiàn)在，人們?nèi)栽谂Υ_定這種蛋白質的3-D結構，描述其如何組裝成晶體，以及那些如何形成玻璃骨架的方法仍未成功。主要是因為沒有人能夠在實驗室中復制這些晶體。

由德累斯頓大學分子生物學工程中心B CUBE的Igor Zlotnikov博士領導的一組研究人員嘗試了一種不同尋常的方法。研究人員決定從海綿骨架中拿出玻璃針來分析內(nèi)部已經(jīng)存在的微小晶體，而不是在實驗室中生產(chǎn)硅酸鹽，而是試圖獲得實驗室生長的晶體來研究結構。

茲洛特尼科夫小組與德累斯頓先進電子技術中心德累斯頓納米分析中心(DCN)的研究人員一起使用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)仔細觀察了裝在玻璃針中的硅酸鹽晶體。“我們觀察到了異常有序且同時復雜的結構。分析樣本后我們發(fā)現(xiàn)它是有機和無機物質的混合物。這意味著蛋白質和玻璃都形成了混合的上層結構，從而以某種方式塑造了海綿的骨架。”。茲洛特尼科夫博士解釋說。

獲得蛋白質3-D結構的傳統(tǒng)方法是將其晶體暴露在X射線束中。每個蛋白質晶體以不同的方式散射X射線，從而提供其內(nèi)部布置的獨特快照。通過旋轉晶體并從多個角度收集此類快照，研究人員可以使用計算方法確定3-D蛋白質結構。這種方法被廣泛使用，并且是現(xiàn)代結構生物學的基礎。它適用于至少10微米大小的晶體。但是，茲洛特尼科夫小組想要分析的硅酸鹽晶體要小10倍左右。當暴露于X射線時，它們幾乎立即被損壞，從而無法從多個角度收集快照的完整數(shù)據(jù)集。

在PSI瑞士光源(SLS)團隊的支持下，研究人員使用了一種稱為串行晶體學的新興方法。參與這項研究的PSI射線束科學家Filip Leonarski說：“您可以合并來自許多晶體的衍射圖像。” “使用傳統(tǒng)方法拍攝電影。使用新方法，您將獲得許多快照，然后將它們組合起來以解密結構。” 每個快照都是在微小晶體的不同部分拍攝的，甚至是在不同晶體上拍攝的。

研究人員總共從90個玻璃針中以完全隨機的方向收集了3500多個單獨的X射線衍射快照。使用最先進的計算方法，他們能夠找到混亂中的秩序并將數(shù)據(jù)組合起來，從而確定硅酸鹽的第一個完整的3-D結構。

茲洛特尼科夫博士說：“在這項研究之前，基于與其他蛋白質的相似性推測了硅酸鹽的結構。” 使用新獲得的3D硅酸鋁結構，研究人員能夠了解其在海綿玻璃骨架內(nèi)部的組裝和功能。他們建立了玻璃針內(nèi)部上層結構的計算模型，并解釋了用HRTEM獲得的蛋白質-玻璃上層結構的初始復雜圖像。

茲洛特尼科夫博士總結說：“我們提供了有關活生物體中功能性3-D蛋白質-玻璃超結構的存在的詳細信息。實際上，我們所描述的是第一個已知的天然存在的雜化礦物-蛋白質晶體組裝體。”

標簽： 玻璃成型蛋白