Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς οι πρωτεΐνες σχηματίζουν κρυστάλλους που πλακάκια ένα κέλυφος ενός μικροβίου

Στη σφαίρα της μικροβιολογίας, υπάρχει ένας μικροσκοπικός οργανισμός γνωστός ως Methanocaldococcus jannaschii, ο οποίος ευδοκιμεί στις καυτές θερμές πηγές της βαθιάς θάλασσας. Αυτό το αξιοσημείωτο μικρόβιο διαθέτει προστατευτική ασπίδα - ένα εξωτερικό κέλυφος που αποτελείται από σφιχτά συσκευασμένες πρωτεΐνες που όχι μόνο προστατεύουν το λεπτό εσωτερικό του από το ακραίο περιβάλλον του, αλλά και το επιτρέπουν να κινείται ελεύθερα. Μέχρι πρόσφατα, οι επιστήμονες ήταν αμηχανία για το πώς αυτο-συναρμολογούνται αυτές οι πρωτεΐνες για να δημιουργήσουν μια τόσο ανθεκτική και περίπλοκη δομή.

Ωστόσο, μια πρωτοποριακή μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications, έχει ρίξει φως σε αυτό το βιολογικό αίνιγμα. Οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, του Μπέρκλεϊ και του Lawrence Berkeley έχουν αποκαλύψει τον περίπλοκο χορό των μορίων πρωτεϊνών καθώς ενορχηστρώνουν το σχηματισμό αυτών των κρυσταλλικών δομών.

Στην καρδιά αυτής της διαδικασίας βρίσκεται μια πρωτεΐνη που ονομάζεται S-layer, ένα βασικό συστατικό του εξωτερικού κελύφους του μικροβίου. Οι πρωτεΐνες S-layer παρουσιάζουν μια μοναδική ιδιότητα:μπορούν να αυτο-συναρμολογούνται σε δύο διαφορετικούς τύπους κρυσταλλικών δομών, εξαγωνικών και τετραγωνικών. Αυτές οι δομές σχηματίζουν ένα μαγευτικό συνονθύλευμα εξαγωνικών και τετραγωνικών πλακιδίων που καλύπτουν ολόκληρη την επιφάνεια του μικροβίου, παρέχοντας δομική ακεραιότητα και κινητικότητα.

Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό τεχνικών απεικόνισης αιχμής και μοριακών προσομοιώσεων, οι ερευνητές παρατήρησαν τη δυναμική συμπεριφορά των πρωτεϊνών S-layer καθώς συναρμολογούνται σε κρυστάλλους. Διαπίστωσαν ότι οι πρωτεΐνες οργανώθηκαν αυθόρμητα σε συστάδες, όπως και οι σχεδίες που παρασύρονται σε μια λίμνη, πριν κρυσταλλωθούν στα εξαγωνικά και τετράγωνα μοτίβα. Αυτή η διαδικασία οδηγείται από τις αλληλεπιδράσεις των πρωτεϊνών μεταξύ τους και το περιβάλλον τους.

Οι ερευνητές εντόπισαν βασικές μοριακές αλληλεπιδράσεις που καθορίζουν το σχήμα των κρυστάλλων. Για παράδειγμα, οι λεπτές μεταβολές στην αλληλουχία αμινοξέων των πρωτεϊνών S-layer επηρεάζουν είτε σχηματίζουν εξαγωνικούς είτε τετραγωνικούς κρυστάλλους. Αυτό το εύρημα αποκαλύπτει την εξαιρετική ακρίβεια με την οποία οι πρωτεΐνες μπορούν να αυτο-οργανωθούν με βάση τη μοριακή τους σύνθεση.

Η μελέτη όχι μόνο παρέχει μια βαθύτερη κατανόηση της συναρμολόγησης του εξωτερικού κελύφους του Methanocaldococcus jannaschii, αλλά προσφέρει επίσης πληροφορίες για την κρυστάλλωση πρωτεϊνών - ένα φαινόμενο που παρατηρείται σε διάφορα βιολογικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού ιών και ορυκτών όπως ο ασβεστίτης.

Επιπλέον, η έρευνα έχει πιθανές επιπτώσεις στη νανοτεχνολογία και την επιστήμη των υλικών, όπου η ικανότητα να ελέγχει με ακρίβεια τη συναρμολόγηση πρωτεϊνών θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχεδιασμό νέων υλικών και δομών με προσαρμοσμένες ιδιότητες.

Η ανακάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι πρωτεΐνες ενορχηστρώνει το σχηματισμό κρυσταλλικών πλακιδίων υπογραμμίζει την αξιοσημείωτη πολυπλοκότητα και την κομψότητα των βιολογικών συστημάτων. Χρησιμεύει ως υπενθύμιση της λαμπρότητας της φύσης στη χρήση των διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης για τη δημιουργία περίπλοκων και εξαιρετικά λειτουργικών δομών στη μικροσκοπική κλίμακα.