Posted in | Nanoelectronics

Wetenschappers Ontdek hoe duizenden Bacteriële membraaneiwitten staat in elkaar te zetten in clusters

Published on July 6, 2009 at 8:51 PM

Zelf-assemblage en zelf-organiserende systemen zijn de heilige gralen van de nanotechnologie, maar de natuur is de productie van dergelijke systemen voor miljoenen jaren. Een team van wetenschappers heeft een unieke blik op hoe duizenden van bacteriële membraaneiwitten zijn in staat om te monteren in de clusters die direct cel beweging aan chemische stoffen in hun omgeving te selecteren. Hun resultaten geven een waardevol inzicht in hoe complex periodieke patronen in biologische systemen kunnen worden gegenereerd en gerepareerd.

Jan Liphardt, van de fysieke Biosciences Division, onder leiding onderzoek dat liet zien hoe duizenden van bacteriële membraaneiwitten zijn in staat om te monteren in de clusters die direct cel beweging aan chemische stoffen in hun omgeving te selecteren. Niet alleen de resultaten geven een waardevol inzicht in hoe complex periodieke patronen, maar kan ook aanwijzingen in de fabricage van nanodevices en de ontwikkeling van nano-elektronische circuits.

"Het is algemeen niet op prijs gesteld dat de complexe periodieke patronen spontaan kan ontstaan ​​uit eenvoudige mechanismen, maar dat is waarschijnlijk wat hier gebeurt", zegt Jan Liphardt, de biofysicus die leiding gaf aan dit onderzoek.

Liphardt heeft een gezamenlijke afspraak met Berkeley Lab 's Fysieke Biosciences Division en UC Berkeley Natuurkunde-afdeling. Hij is nu de belangrijkste auteur van een paper on-line beschikbaar in de Public Library of Science titel: ". Self-Organisatie van de Escherichia coli Chemotaxis Network afgebeeld met Super-resolutie van lichtmicroscopie" Co-authoring het papier met Liphardt waren Derek Greenfield , Ann McEvoy, Hari Shroff, Gavin Crooks, Ned Wingreen en Eric Betzig.

Sleutel tot overleven van een cel is de manier waarop de kritische componenten - eiwitten, lipiden, nucleïnezuren, etc. - worden geregeld. Voor de cellen te gedijen, moet de organisatie van deze componenten worden geoptimaliseerd voor hun respectievelijke activiteiten en ook reproduceerbaar voor de volgende generaties van de cellen. Eukaryote cellen hebben verschillende subcellulaire structuren, zoals de membraangebonden organellen en eiwitten transport systemen, waarvan het complexe organisatie is duidelijk zichtbaar. Er is echter ook complexe ruimtelijke organisatie worden gevonden binnen de prokaryote cellen, zoals staafvormige bacteriën zoals E. coli.

"Het heeft nog steeds een beetje mysterieus hoe de bacteriën in staat zijn te organiseren en ruimtelijk scheiden hun interieurs en membranen," aldus Liphardt. "Twee cellen die biochemisch identiek zijn kan zeer verschillende gedragingen, afhankelijk van hun ruimtelijke organisatie. Met nieuwe technologieën zoals PALM, kunnen wij precies zien hoe cellen zijn georganiseerd en ruimtelijke organisatie met biologische functie betrekking hebben. "

PALM en de Chemotaxis Network

In de PALM techniek worden doeleiwitten gelabeld met tags die fluoresceren wanneer geactiveerd door zwakke ultraviolet licht. Door de intensiteit van dit licht voldoende laag is, kunnen onderzoekers photoactivate individuele eiwitten.

"Sinds de individuele eiwitten zijn afgebeeld een voor een, we kunnen lokaliseren en tel ze, en dan computationeel de locaties van alle eiwitten assembleren in een composiet, hoge precisie beeld," zei Liphardt. "Met andere technologieën, we moeten kiezen tussen het observeren van grote clusters of het observeren van enkele eiwitten. Met PALM, kunnen we onderzoeken van een cel en ziet enkele eiwitten, eiwitten dimeren, enzovoort, de hele weg tot aan grote clusters met duizenden eiwitten. Dit stelt ons in staat om de relatieve organisatie van de afzonderlijke eiwitten te zien binnen de clusters en tegelijkertijd zien hoe de clusters zijn gerangschikt ten opzichte van een ander. "

Liphardt en zijn collega's paste de PALM techniek om de E.coli chemotaxis netwerk van signalering eiwitten, die de beweging van de bacterie naar of uit de buurt van suikers, aminozuren, en vele andere oplosbare moleculen direct in reactie op omgevingsfactoren. De E.coli chemotaxis netwerk is een van de best begrepen van alle biologische signalering systemen en is een model voor het bestuderen van bacteriële ruimtelijke ordening, omdat de componenten weer te geven een niet-willekeurige, periodieke verdeling in de celmembraan.

"Chemotaxis eiwitten cluster in grote zintuiglijke complexen die lokaliseren aan de polen van de bacteriële cel, 'Liphardt gezegd. "We wilden hoe deze clusters vormen, wat regelt de omvang en dichtheid, en hoe de cellulaire locatie van de clusters is robuust gehandhaafd in groeiende en delende cellen te begrijpen."

Met behulp van PALM, Liphardt en zijn collega's in kaart gebracht de cellulaire locaties van de drie eiwitten centraal in de chemotaxis signaleringsnetwerk - Tar, Chey en Chew - met een gemiddelde nauwkeurigheid van 15 nanometer. Zij vonden dat cluster maten werden uitgedeeld zonder dat een maat die "eigenschap." Bijvoorbeeld, een derde van de Tar eiwitten maakten deel uit van kleinere laterale clusters en niet van de grote polaire clusters. Analyse van de relatieve cellulaire locaties van meer dan een miljoen afzonderlijke eiwitten van 326 cellen vastgesteld dat ze niet actief verspreid of aan specifieke locaties in cellen, zoals was verondersteld.

"In plaats daarvan", zei Liphardt, "random laterale diffusie eiwit en eiwit-eiwit interacties zijn waarschijnlijk voldoende om de waargenomen complex te genereren, bestelde patronen. Deze eenvoudige stochastische zelf-assemblage mechanisme, dat kunt maken en periodieke structuren in biologische membranen te onderhouden zonder directe betrokkenheid van het cytoskelet of actief transport, kunnen blijken op grote schaal in zowel prokaryotische en eukaryotische cellen. "

Liphardt en zijn onderzoeksgroep zijn nu van toepassing PALM te signaleren complexen in eukaryote membranen om te zien hoe wijdverbreid stochastische is zelf-assemblage in de natuur. Gezien het feit dat biologische systemen zijn aan de natuur versie van nanotechnologie, de demonstratie dat de stochastische zelf-assemblage is in staat om het organiseren van duizenden eiwitten in complexe en reproduceerbare patronen houdt belofte voor een breed scala aan toepassingen in de nanotechnologie, waaronder de fabricage van nanodevices en de ontwikkeling van nano-elektronische circuits.

Dit werk werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie Bureau of Science, Energy Biosciences Program, de Sloan en Searle Stichtingen, en de National Institutes of Health subsidies.

Berkeley Lab is een Amerikaanse ministerie van Energie nationale laboratorium in Berkeley, Californië. Het voert geclassificeerde wetenschappelijk onderzoek en wordt beheerd door de Universiteit van Californië. Bezoek onze website op www.lbl.gov

Last Update: 3. October 2011 17:52

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit