Muitas bactérias e arqueas se encerram em uma capa protetora de auto-montagem de proteínas da camada S, como armadura de cota de malha. O processo é um modelo para a automontagem de nanoestruturas orgânicas e inorgânicas 2D e 3D.
Imagine milhares de cópias de uma única proteína se organizando em uma camada de cota de malha que protege o usuário das condições ambientais adversas e em constante mudança. Esse é o caso de muitos microrganismos. Em um novo estudo, pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram detalhes importantes neste processo natural que pode ser usado para a automontagem de nanomateriais em estruturas bidimensionais e tridimensionais complexas.
Caroline Ajo-Franklin, um químico e biólogo sintético na Fundição Molecular do Berkeley Lab, liderou este estudo no qual medições de espalhamento de luz de alto rendimento foram usadas para investigar a automontagem de nanofolhas 2D de uma proteína da camada de superfície bacteriana comum (camada S). Esta proteína, chamado "SbpA, "forma a armadura protetora para Lysinibacillus sphaericus, uma bactéria do solo usada como uma toxina para controlar os mosquitos. A investigação revelou que os íons de cálcio desempenham um papel fundamental na montagem dessa armadura. Na verdade, duas funções principais.
"Os íons de cálcio não apenas desencadeiam o enovelamento da proteína na forma correta para a formação da nanofolha, mas também servem para unir as nanofolhas, "Ajo-Franklin diz." Ao estabelecer e usar a dispersão de luz como um proxy para a formação de nanofolhas SbpA, fomos capazes de determinar como a variação das concentrações de íons de cálcio e SbpA afeta o tamanho e a forma da armadura da camada S. "
Os detalhes deste estudo foram publicados na revista ACS Nano em um artigo intitulado "Controle específico de íons da dinâmica de auto-montagem de uma rede de proteína nanoestruturada". Ajo-Franklin é o autor correspondente. Os co-autores são Behzad Rad, Thomas Haxton, Albert Shon, Seong-Ho Shin e Stephen Whitelam.
No mundo microbiano das bactérias e arqueas, as ameaças externas abundam. O ambiente circundante pode passar de calor extremo a frio extremo, ou de altamente ácido a altamente básico. Predadores estão por toda parte. Para se proteger, muitas bactérias e arquéias envolvem-se em uma camada de proteínas da camada S. Embora os cientistas já saibam sobre esse revestimento protetor há muitos anos, como ele se forma tem sido um mistério.
Ajo-Franklin e seus colegas têm explorado proteínas de auto-montagem como um meio potencial de criar nanoestruturas com estrutura e função complexas.
"Na Fundição Molecular, ficamos muito bons em fazer nanomateriais em diferentes formas, mas ainda estamos aprendendo como montar esses materiais em estruturas organizadas, ", diz ela." As proteínas da camada S são proteínas biológicas abundantes conhecidas por se auto-montar em nanofolhas cristalinas 2D com simetrias de rede e tamanhos de poros que têm aproximadamente as mesmas dimensões dos pontos quânticos e nanotubos. Isso os torna um sistema modelo atraente para a criação de matrizes nanoestruturadas de materiais orgânicos e inorgânicos de forma ascendente. "
A ligação de íons de cálcio às proteínas SbpA inicia o processo pelo qual a SbpA se auto-monta em nanofolhas. Ca2 + se liga a SbpA com uma afinidade de 67 μM. Crédito:Imagem cortesia do grupo Ajo-Franklin, Berkeley Lab
Neste último estudo, Medidas de dispersão de luz foram usadas para mapear diagramas que revelaram o rendimento relativo de nanofolhas automontadas em uma ampla faixa de concentrações de íons SbpA e cálcio. Além disso, os efeitos da substituição de íons de manganês ou bário por íons de cálcio foram examinados para distinguir entre um papel catiônico divalente quimicamente específico e genérico para os íons de cálcio. Behzad Rad, o principal autor do ACS Nano papel, e colegas de trabalho seguiram a dispersão de luz pela luz no espectro visível. Eles então correlacionaram o sinal à formação de nanofolhas usando microscopia eletrônica e espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (SAXS), uma tecnologia que pode fornecer informações sobre conjuntos moleculares em praticamente qualquer tipo de solução. As medições SAXS foram obtidas na "linha de luz SIBYLS (12.3.1) do Berkeley Lab's Advanced Light Source.
"Aprendemos que apenas os íons de cálcio desencadeiam o processo de automontagem SbpA e que as concentrações de íons de cálcio dentro da célula são muito baixas para a formação de nanofolhas, o que é bom para a bactéria, "diz Rad." Também descobrimos que a evolução temporal dos traços de dispersão de luz é consistente com o crescimento irreversível de folhas de um núcleo insignificante. Assim que cinco íons de cálcio se ligam a uma proteína SbpA, o processo começa e o cristal cresce muito rápido. O pequeno núcleo é o que faz a nossa técnica de espalhamento de luz funcionar. "
Ajo-Franklin, Rad e seus co-autores acreditam que sua técnica de espalhamento de luz é aplicável a qualquer tipo de proteína que se auto-monta em nanofolhas 2D, e pode ser usado para monitorar o crescimento de escalas nanométricas a micrométricas.
Dada a natureza robusta das proteínas da camada S e sua qualidade adesiva - as bactérias usam sua armadura da camada S para se prenderem ao ambiente - há muitas aplicações intrigantes aguardando um estudo mais aprofundado.
"Um projeto que estamos explorando está usando proteínas SbpA para fazer nanoestruturas adesivas que poderiam ser usadas para remover metais e outros contaminantes da água, "Ajo-Franklin diz." Agora que temos um bom controle sobre como as proteínas SbpA se auto-montam, gostaríamos de começar a misturá-los e combiná-los com outras moléculas para criar estruturas novas e úteis. "
