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Posted in | Nanoelectronics

Científicos descubren cómo miles de proteínas de membrana bacteriana capaz de reunir en grupos

Published on July 6, 2009 at 8:51 PM

Sistemas de auto-ensamblaje y auto-organizativos son los santos griales de la nanotecnología, pero la naturaleza ha estado produciendo estos sistemas durante millones de años. Un equipo de científicos ha dado una visión única de cómo miles de proteínas de la membrana bacteriana es capaz de reunir en grupos que el movimiento celular directa para seleccionar los productos químicos en su ambiente. Sus resultados proporcionan información valiosa sobre la complejidad de patrones periódicos en los sistemas biológicos se pueden generar y reparar.

Jan Liphardt, de la División de Biociencias Físicas, lideró la investigación que mostró cómo miles de proteínas de membrana bacteriana es capaz de reunir en grupos que el movimiento celular directa para seleccionar los productos químicos en su ambiente. No sólo los resultados proporcionan información valiosa sobre patrones periódicos de la complejidad, pero también podría proporcionar punteros en la fabricación de nanodispositivos y el desarrollo de circuitos nanoelectrónicos.

"No es muy apreciado que los complejos patrones periódicos de forma espontánea puede surgir de mecanismos sencillos, pero eso es probablemente lo que está pasando aquí", dijo Jan Liphardt, el biofísico que dirigió esta investigación.

Liphardt tiene una cita conjunta con el Laboratorio de Berkeley 's física Biosciences División y el Departamento de Física de la Universidad de Berkeley. Él es el autor principal de un documento disponible en línea en la Biblioteca Pública de Ciencia titulado: ". Auto-organización de la Red de Escherichia coli quimiotaxis con imágenes de microscopía óptica Super-Resolución" Co-autor del papel con Liphardt fueron Derek Greenfield , Ann McEvoy, Shroff Hari, Crooks Gavin, Wingreen Ned y Betzig Eric.

Clave para la supervivencia de una célula es la forma en que sus componentes críticos - proteínas, lípidos, ácidos nucleicos, etc - están dispuestos. Para que las células crecen, la organización de estos componentes deben ser optimizados para sus respectivas actividades y también reproducible para las futuras generaciones de células. Las células eucariotas disponen de distintas estructuras subcelulares, tales como la membrana orgánulos y sistemas de transporte de proteínas, cuya compleja organización es evidente. Sin embargo, también hay compleja organización espacial que se encuentra dentro de las células procariotas, tales como la barra en forma de bacterias como E. coli.

"Se ha mantenido un tanto misterioso cómo las bacterias son capaces de organizar y separar espacialmente sus interiores y de las membranas", dijo Liphardt. "Dos células que son bioquímicamente idénticos pueden tener comportamientos muy diferentes, dependiendo de su organización espacial. Con las nuevas tecnologías como el de palma, que son capaces de ver exactamente cómo se organizan las células y se relacionan con la organización espacial de las funciones biológicas ".

PALM y la Red de quimiotaxis

En la técnica de PALM, proteínas objetivo se marcan con etiquetas fluorescentes cuando son activados por la luz ultravioleta débil. Al mantener la intensidad de esta luz lo suficientemente baja, los investigadores pueden photoactivate proteínas individuales.

"Dado que las proteínas individuales son imágenes de una en una, podemos localizar y contar con ellos, y luego de cómputo reunir los lugares de todas las proteínas en un compuesto de alta precisión de la imagen", dijo Liphardt. "Con otras tecnologías, tenemos que elegir entre la observación de grandes grupos o la observación de proteínas individuales. Con PALM, podemos examinar una célula y ver las proteínas individuales, los dímeros de proteínas, y así sucesivamente, hasta llegar a grandes grupos que contienen miles de proteínas. Esto nos permite ver la organización en relación de las proteínas individuales dentro de ellos y, al mismo tiempo ver cómo las agrupaciones se organizan con respecto a los unos a los otros. "

Liphardt y sus colegas aplicaron la técnica de Palm a la red de E. coli quimiotaxis de proteínas de señalización, que dirigen el movimiento de las bacterias hacia o alejándose de azúcares, aminoácidos, y muchas otras moléculas solubles en respuesta a señales ambientales. La E. coli quimiotaxis red es uno de los mejores entendidos de todos los sistemas de señalización biológica y es un modelo para el estudio de la organización espacial de bacterias, porque sus componentes muestran una aleatoria, la distribución de periódicos en la membrana celular.

"La quimiotaxis proteínas se agrupan en grandes complejos sensoriales que se localizan a los polos de la célula bacteriana", dijo Liphardt. "Queríamos comprender cómo se forman estos grupos, lo que controla su tamaño y densidad, y la forma en la localización celular de los clusters es fuertemente mantenido en el crecimiento y la división de las células."

Utilizando PALM, Liphardt y sus colegas mapa de la ubicación celular de las tres proteínas fundamentales para la red de la quimiotaxis de señalización - Tar, Chey y Chew - con una precisión media de 15 nanómetros. Ellos encontraron que el tamaño de cluster se distribuyeron sin tamaño de un ser "característicos". Por ejemplo, un tercio de las proteínas de alquitrán eran parte de grupos más pequeños lateral y no de los grupos polares de gran tamaño. El análisis de la ubicación relativa de los celulares más de un millón de proteínas individuales de 326 células determinó que no se distribuyen activamente o adjunta a lugares específicos en las células, como se había hipotetizado.

"En cambio," dijo Liphardt, "las interacciones proteína difusión al azar lateral y proteína-proteína son probablemente suficientes para generar el complejo observado, ordenó a los patrones. Este estocástico sencillo mecanismo de auto-ensamblaje, lo que puede crear y mantener estructuras periódicas en las membranas biológicas sin la participación directa del citoesqueleto o el transporte activo, puede llegar a ser generalizado tanto en las células procariotas y eucariotas. "

Liphardt y su grupo de investigación están aplicando PALM a la señalización de los complejos en las membranas eucariotas para ver cuán extendido es estocástica de auto-ensamblaje de la naturaleza. Dado que los sistemas biológicos son de la versión de la naturaleza de la nanotecnología, la demostración de que estocástico autoensamblaje es capaz de organizar a miles de proteínas en patrones complejos y reproducible es una promesa para una amplia gama de aplicaciones en la nanotecnología, incluyendo la fabricación de nanodispositivos y el desarrollo de la nanoelectrónica circuitos.

Este trabajo fue financiado por los EE.UU. Departamento de Energía de la Oficina de Ciencia, Programa de Biociencias de la Energía, Sloan y Fundaciones Searle, y los Institutos Nacionales de Salud subvenciones.

Berkeley Lab es un Departamento de Energía de EE.UU. laboratorio nacional ubicado en Berkeley, California. Lleva a cabo investigación científica sin clasificar y es manejado por la Universidad de California. Visite nuestro sitio Web en www.lbl.gov

Last Update: 10. October 2011 09:36

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