海綿是地球上最古老的動(dòng)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(duì)稱的玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。這些玻璃支架在很長(zhǎng)一段時(shí)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(xué)分子生物工程中心B CUBE的研究人員，德累斯頓電子技術(shù)先進(jìn)研究中心(cfaed)和瑞士Paul Scherrer研究所的瑞士光源團(tuán)隊(duì)共同確定了三維(3-D)。 )負(fù)責(zé)在海綿中形成玻璃的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。他們解釋了最早，實(shí)際上是唯一已知的天然蛋白質(zhì)礦物質(zhì)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(shí)現(xiàn)這種獨(dú)特的架構(gòu)，他們必須操縱無序玻璃的形狀以形成高度規(guī)則和對(duì)稱的元素。在這些玻璃元件內(nèi)部的通道中存在由蛋白質(zhì)制成的細(xì)晶體纖維，稱為硅酸鹽。眾所周知，硅酸鹽晶體負(fù)責(zé)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(zhì)的3-D結(jié)構(gòu)，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?yàn)闆]有人能夠在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制這些晶體。

由德累斯頓大學(xué)分子生物學(xué)工程中心B CUBE的Igor Zlotnikov博士領(lǐng)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)硅酸鹽，而是試圖獲得實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的晶體來研究結(jié)構(gòu)。

茲洛特尼科夫小組與德累斯頓先進(jìn)電子技術(shù)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(xì)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(shí)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。分析樣本后我們發(fā)現(xiàn)它是有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的混合物。這意味著蛋白質(zhì)和玻璃都形成了混合的上層結(jié)構(gòu)，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(zhì)3-D結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法是將其晶體暴露在X射線束中。每個(gè)蛋白質(zhì)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(dú)特快照。通過旋轉(zhuǎn)晶體并從多個(gè)角度收集此類快照，研究人員可以使用計(jì)算方法確定3-D蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法被廣泛使用，并且是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)的基礎(chǔ)。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(dāng)暴露于X射線時(shí)，它們幾乎立即被損壞，從而無法從多個(gè)角度收集快照的完整數(shù)據(jù)集。

在PSI瑞士光源(SLS)團(tuán)隊(duì)的支持下，研究人員使用了一種稱為串行晶體學(xué)的新興方法。參與這項(xiàng)研究的PSI射線束科學(xué)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(jié)構(gòu)。” 每個(gè)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(gè)玻璃針中以完全隨機(jī)的方向收集了3500多個(gè)單獨(dú)的X射線衍射快照。使用最先進(jìn)的計(jì)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(gè)完整的3-D結(jié)構(gòu)。

茲洛特尼科夫博士說：“在這項(xiàng)研究之前，基于與其他蛋白質(zhì)的相似性推測(cè)了硅酸鹽的結(jié)構(gòu)。” 使用新獲得的3D硅酸鋁結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，并解釋了用HRTEM獲得的蛋白質(zhì)-玻璃上層結(jié)構(gòu)的初始復(fù)雜圖像。

茲洛特尼科夫博士總結(jié)說：“我們提供了有關(guān)活生物體中功能性3-D蛋白質(zhì)-玻璃超結(jié)構(gòu)的存在的詳細(xì)信息。實(shí)際上，我們所描述的是第一個(gè)已知的天然存在的雜化礦物-蛋白質(zhì)晶體組裝體。”

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