(PhysOrg.com) -- Croissance de cristaux de couche S bidimensionnels sur des bicouches lipidiques supportées observée en solution en utilisant la microscopie à force atomique in situ. Ce film montre des protéines collées sur la bicouche lipidique supportée, former une phase mobile qui se condense en amas amorphes, et subissant une transition de phase en amas cristallins composés de 2 à 15 tétramères. Ces amas initiaux entrent ensuite dans une phase de croissance au cours de laquelle de nouveaux tétramères se forment exclusivement sur des sites de réseau inoccupés le long des bords des amas.

En assemblant une enveloppe cristalline autour d'une cellule, les protéines de la couche de surface (couche S) servent de premier point de contact entre les bactéries, les extrêmophiles et autres types de microbes et leur environnement. Maintenant, scientifiques de la Fonderie Moléculaire, une installation d'utilisateurs de nanosciences au Berkeley Lab, ont utilisé la microscopie à force atomique pour visualiser en temps réel comment les protéines de la couche S forment des cristaux dans un environnement de type cellulaire. Cette observation directe de l'assemblage des protéines pourrait fournir aux chercheurs un aperçu de la façon dont les micro-organismes évitent les antibiotiques ou emprisonnent le dioxyde de carbone dans les minéraux.

"De nombreuses protéines s'auto-assemblent en structures hautement ordonnées qui fournissent aux organismes des fonctions critiques, telles que l'adhésion cellulaire aux surfaces, transformation du CO 2 en minéraux, propagation de la maladie, et la résistance aux médicaments, " a déclaré James De Yoreo, Directeur adjoint de la Fonderie Moléculaire. « Ce travail est le premier à fournir une vue directe au niveau moléculaire de la voie d'assemblage in vitro. Une fois ces connaissances étendues à l'assemblage dans un système vivant, elle peut conduire à des stratégies de capitalisation ou d'interférence avec ces fonctions.

Démêler la voie de formation de la couche S permet aux scientifiques d'étudier comment les bactéries ou autres microbes négocient les interactions avec leur environnement. DeYoreo et ses collègues ont utilisé la microscopie à force atomique in situ - une technique de sonde utilisée pour étudier la surface d'un cristal dans son environnement naturel avec une précision atomique - pour observer les protéines de la couche S s'assembler de la solution sur un plat, membrane biologique appelée bicouche lipidique. Contrairement à la croissance cristalline classique, dans lequel les atomes se forment en « graines » ordonnées et grossissent, l'équipe a montré que les protéines de la couche S forment des taches non structurées sur les bicouches avant de se transformer en une structure cristalline en quelques minutes.

« Nous pouvons réellement voir ces protéines à partir de la solution coller et s'organiser sur les bicouches lipidiques où elles se condensent spontanément en de nombreuses gouttes de protéines, puis, minutes plus tard, ils se transforment en une structure cristalline avec un réseau carré de tétramères, " a déclaré Sungwook Chung, membre du personnel scientifique de la division des biosciences physiques et utilisateur de la fonderie moléculaire. « C'est une découverte importante car elle donne la preuve directe d'une voie d'assemblage à plusieurs étapes avec un intermédiaire, formation de phase amorphe avant repliement en un bidimensionnel, réseau cristallin.

Chercheur post-doctorant de la fonderie Seong-Ho Shin, en collaboration avec la directrice de la fonderie Carolyn Bertozzi, dit comprendre comment les couches S interagissent avec leur environnement pourrait aider à reconnaître comment les organismes résistent aux médicaments antibactériens, ou comment les microbes transforment le dioxyde de carbone en carbonates solides. Parmi les premières structures protéiques à être utilisées pour organiser des nanostructures, Les couches S sont également des matériaux de modèle d'échafaudage attrayants pour la croissance ou l'organisation de nanofils ou de points quantiques.

Dans une étude inspirée de ce travail, Le scientifique de la fonderie Steve Whitelam a utilisé la modélisation informatique pour étudier les voies de cristallisation des protéines modèles de la couche S. Au fur et à mesure que les protéines modèles se rencontrent, ils peuvent coller ensemble à n'importe quel angle sous lequel ils entrent en collision (médiée par des interactions non spécifiques), ou se lier dans l'orientation correcte nécessaire pour former un cristal (médiée par des interactions directionnelles).

En ajustant ces interactions, Whitelam a identifié des régimes de paramètres dans lesquels des taches de protéines non structurées se forment avant la cristallisation. Recherche dans l'espace des paramètres, il a découvert que les cristaux se forment souvent de manière plus fiable si les protéines modèles interagissaient de manière directionnelle et non spécifique, plutôt que par l'interaction directionnelle seule. Quoi de plus, il ajoute, ces résultats peuvent s'appliquer à différents types de matériaux.

« De nombreux matériaux biologiques et inorganiques s'assemblent et cristallisent par des phases intermédiaires souvent amorphes, " dit Whitelam, qui est dans l'installation de théorie des matériaux nanostructurés de la fonderie. « Développer un modèle moléculaire de cristallisation dans un système particulier nous aide à comprendre les mécanismes de cristallisation en général. »