Les éponges font partie des animaux les plus anciens de la Terre. Ils vivent dans un large éventail d'eaux, des lacs aux océans profonds. Remarquablement, le squelette de certaines éponges est constitué d'un réseau de structures de verre très symétriques. Ces échafaudages en verre intriguent les chercheurs depuis longtemps. Comment les éponges manipulent-elles le verre désordonné dans les éléments squelettiques qui sont si réguliers ? Les chercheurs du B CUBE—Center for Molecular Bioengineering at TU Dresden, ainsi que les équipes du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) et de la Swiss Light Source de l'Institut Paul Scherrer en Suisse sont les premiers à déterminer la dimension tridimensionnelle (3-D ) structure d'une protéine responsable de la formation du verre dans les éponges. Ils expliquent comment les premiers et, En réalité, le seul cristal minéral protéique naturel connu est formé. Les résultats ont été publiés dans la revue PNAS .

Les éponges de verre - comme leur nom l'indique - ont un squelette à base de verre composé d'un réseau d'aiguilles de verre, crochets, étoiles, et des sphères. Pour réaliser une telle architecture unique, ils doivent manipuler la forme du verre désordonné pour former des éléments très réguliers et symétriques. Fibres cristallines fines constituées d'une protéine, connu sous le nom de silicatéine, sont présents dans les canaux à l'intérieur de ces éléments en verre. On sait que les cristaux de silicate sont responsables de la synthèse du verre dans les éponges et de la mise en forme du squelette du verre. Cependant, jusqu'à présent les efforts pour déterminer la structure 3-D de cette protéine, décrire comment il s'assemble en cristaux, et comment ceux qui forment le squelette de verre ont échoué. Surtout, car personne n'a pu reproduire ces cristaux en laboratoire.

Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Igor Zlotnikov du B CUBE – Centre de bioingénierie moléculaire de la TU Dresden a essayé une approche inhabituelle. Au lieu de produire de la silicatéine en laboratoire et d'essayer d'obtenir des cristaux cultivés en laboratoire pour étudier la structure, les chercheurs ont décidé de prendre les aiguilles de verre d'un squelette d'éponge et d'analyser les minuscules cristaux qui existent déjà à l'intérieur.

Le groupe Zlotnikov et des chercheurs du Dresden Center for Nanoanalysis (DCN) du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) ont utilisé la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) pour examiner de plus près les cristaux de silicate emballés à l'intérieur des aiguilles en verre. "Nous avons observé une structure exceptionnellement ordonnée et en même temps complexe. En analysant l'échantillon, nous avons constaté qu'il s'agit d'un mélange de matière organique et inorganique. Cela signifie que les protéines et le verre forment une superstructure hybride qui façonne en quelque sorte le squelette des éponges , " explique le Dr Zlotnikov.

Une manière traditionnelle d'obtenir une structure 3-D d'une protéine consiste à exposer son cristal à un faisceau de rayons X. Chaque cristal de protéine diffuse les rayons X d'une manière différente, fournissant un instantané unique de son agencement interne. En faisant tourner le cristal et en collectant de tels instantanés sous de nombreux angles, les chercheurs peuvent utiliser des méthodes informatiques pour déterminer la structure des protéines en 3D. Une telle approche est largement utilisée et constitue la base de la biologie structurale moderne. Cela fonctionne bien pour les cristaux d'au moins 10 microns. Cependant, le groupe Zlotnikov voulait analyser des cristaux de silicateine ​​qui étaient environ 10 fois plus petits. Lorsqu'ils étaient exposés aux rayons X, ils étaient presque immédiatement endommagés, rendant impossible la collecte d'un ensemble de données complet d'instantanés sous plusieurs angles.

Avec le soutien de l'équipe de Swiss Light Source (SLS) du PSI, les chercheurs ont utilisé une nouvelle méthode émergente connue sous le nom de cristallographie en série. "Vous combinez des images de diffraction de nombreux cristaux, " dit Filip Leonarski, les scientifiques des lignes de lumière au PSI, qui a participé à l'étude. "Avec la méthode traditionnelle, vous tournez un film. Avec la nouvelle méthode, vous obtenez de nombreux instantanés que vous combinez ensuite pour déchiffrer la structure." Chaque instantané est pris à une partie différente du petit cristal ou même à partir d'un cristal différent.

Au total, les chercheurs ont collecté plus de 3 500 instantanés individuels de diffraction des rayons X à partir de 90 aiguilles de verre à des orientations complètement aléatoires. À l'aide de méthodes informatiques de pointe, ils ont pu trouver de l'ordre dans le chaos et assembler les données pour déterminer la première structure 3-D complète de la silicatéine.

« Avant cette étude, la structure de la silicatéine a été émise sur la base de sa similitude avec d'autres protéines, " dit le Dr Zlotnikov. En utilisant la structure 3-D nouvellement obtenue de la silicatéine, les chercheurs ont pu comprendre son assemblage et son fonctionnement à l'intérieur du squelette de verre de l'éponge. Ils ont construit un modèle informatique de la superstructure à l'intérieur de l'aiguille de verre et expliqué les premières images complexes des superstructures protéine-verre obtenues avec le HRTEM.

"Nous avons fourni des informations détaillées sur l'existence d'une superstructure fonctionnelle en verre protéique 3D dans un organisme vivant. En fait, ce que nous décrivons est le premier assemblage cristallin minéral-protéine hybride naturel connu, " conclut le Dr Zlotnikov.