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Berkeley-LaborWissenschaftler-Abgebildetes Wachstum von Protein-Verzierten MineralOberflächen

Published on December 15, 2009 at 7:01 PM

Wissenschaftler an der Molekularen Gießerei Nationalen Laboratoriums Lawrence Berkeley haben abgebildet das Wachstum von Protein-verzierten Mineraloberflächen mit beispielloser Auflösung und stellen einen Blick in die strukturellen Schlüsselmaterialien bereit, die durch lebende Anlagen ausgeführt werden. Die hochauflösende Technik des Teams deckt die natürlichen Vorrichtungen auf, die ebenso von den Geschöpfen in Meer und auf Ufer eingesetzt werden, und könnte Mittelwerte zur Verfügung stellen, dieses Kristallwachstum zu beobachten und zu steuern, während sie auftritt.

Baumuster von Peptiden und von Kristallstruktur des Kalziumoxalatmonohydrats auf einem Atomkraftmikroskopbild montiert während des Kristallwachstums. Die Unterkante dieses Bildes ist ungefähr 60 Atome herüber. (Bildhöflichkeit von Jim DeYoreo und. Al)

Für Millionen Jahre, haben Organismen von Algen zu Menschen biomineralization-the Prozess des Organisierens von Mineralien wie Calciumcarbonat in biologisches Anlage-zu erzeugen Shells, Dorne, Knochen und andere strukturelle Materialien verwendet. Vor Kurzem haben Forscher angefangen, die Zelle und die Zusammensetzung dieser biominerals zu entwirren. Jedoch bleibt das Verständnis, wie Biomoleküle auf Mineralien einwirken, um diese komplexe Architektur zu bilden, eine beeindruckende Herausforderung, da es molekular-stufige Auflösungs- und Schnelldarstellungsfähigkeiten benötigt, die die lokale Umgebung stören nicht oder ändern.

Atom-Kraft Mikroskopie, der Spuren Nmschuppe Hügel und Täler über dem Gelände eines Kristalles mit einem scharfen Fühler, häufig benutzt ist, Oberflächen zu studieren. Die Ausschläge, die ein Fühler über einem Material antrifft, werden übertragen, in elektrische Signale dann verwendet, um ein Bild der Oberfläche zu erstellen. Jedoch wird ein vorsichtiger Drahtseilakt gefordert, die Auflösung, die von einem scharfen Fühler und bereitgestellt werden die Flexibilität beizubehalten, der benötigt wird, um weiche biologische Moleküle ungestört zu lassen. Jetzt haben die Molekularen Gießereiforscher ein Hilfsmittel entwickelt, das fähig ist, zu erkennen empfindliche biologische Materialien und winzige Schwingungen auf Oberfläche-aller wann eines Kristalles den Mineralisierungsprozeß in Anwesenheit der Proteine überwachend.

„Wir haben einen Anflug in Einklang zu den weichen Makromolekülen des Bildes auf einer harten Kristalloberfläche mit molekularer Auflösung gefunden, und wir haben sie in gelöster Form getan und bei Zimmertemperatur, die auf natürliche Umgebungen viel anwendbarer ist,“ sagt Jim DeYoreo, stellvertretender Direktor der Molekularen Gießerei, ein US-Energieministerium-Nationales Leistungsmerkmal, das an Berkeley-Labor gelegen ist, das Halterung nanoscience Forschern auf der ganzen Welt gewährt.

„Mit diesen hybriden Fühlern, können wir Biomoleküle buchstäblich überwachen, auf eine Kristalloberfläche einzuwirken, während der Kristall einen Atomschritt auf einmal wächst. Niemand ist in der Lage gewesen, diesen Prozess mit dieser Art der Auflösung bis jetzt zu überwachen,“ sagt Raymond Friddle, ein Habilitationsgelehrter an Nationalem Laboratorium Lawrence Berkeley.

DeYoreo, Friddle, Mitverfasser Matt-Weber und Roger Qiu (Nationales Laboratorium Lawrence Livermore), Bill Casey (University of California, Davis) und Andrzej Wierzbicki (Universität von Süd-Alabama), verwendete diese „hybrides“ Atom-kraft Mikroskop prüft, um die Interaktionen zwischen einem wachsenden Kristall des Kalziumoxalatmonohydrats, einem Mineralgeschenk in den menschlichen Nierensteinen und Peptiden, Polymermoleküle zu studieren, die metabolische Funktionen in lebenden Zellen durchführen. Diese hybriden Fühler kombinieren Schärfe und Flexibilität, die entscheidend ist, wenn man die Drehzahl und die Auflösung erzielt, die benötigt werden, um den wachsenden Kristall mit minimaler Störung zu den Peptiden zu überwachen.

Die Ergebnisse des Teams decken einen komplexen Prozess auf. Auf a positiv - belastete Facette des Kalziumoxalatmonohydrats, Peptide bilden einen Film, der wie ein Schalter wirkt, um Kristallwachstum AN/AUS zu drehen. Jedoch auf a belasteter Facette negativ -, drängeln Peptide zusammen auf die Oberfläche, um Cluster herzustellen, denen langsam oder Kristallwachstum beschleunigen Sie.

„Unsere Ergebnisshow die Effekte von Peptiden auf einen wachsenden Kristall sind weit schwieriger als mit den einfacheren, kleinen Molekülen. Die Formen von Peptiden neigen in gelöster Form zu schwanken, und abhängig von den Bedingungen, durch die die Komplexprozesse Peptide an Oberflächen festhalten, lässt sie Kristallwachstum wie ein Set „Schalter, Leistungshebel und Bremsen“ steuern,“ Friddle sagt. „Sie können entweder Wachstum verlangsamen oder beschleunigen oder sogar schalten es scharf von ein nach weg mit Zuständen der kleinen Veränderungen in gelöster Form.“

Das Team plant, ihr neues Konzept zu verwenden, um grundlegende Physik von Kristalloberflächen in den Lösungen nachzuforschen und zu vertiefen ihr Verständnis von, wie Biomoleküle und Kristalle zusammenwirken. „Wir glauben, dass diese Ergebnisse den Grundstein zur besseren Regelung über technologischen Kristallen, biomimetic Anflüge an Materialsynthese legen und mögliche Therapien für Hartgewebepathologien,“ fügt DeYoreo hinzu.

Die Papier„Atomkraftmikroskopie Subnanometer von Peptid-Mineralinteraktionen verbindet das Bündeln und Wettbewerb mit Beschleunigung und Katastrophe,“ durch Raymond Friddle, Matt-Weber, Roger Qiu, Andrzej Wierzbicki, William H. Casey und James J. DeYoreo, sieht in den Verfahren der National Academy Of Sciences Und ist in den Verfahren der National Academy Of Sciences Online erhältlich aus.

Diese Arbeit an der Molekularen Gießerei wurde vom Direktor, Büro der Wissenschaft, Büro von Grundlegenden Energie-Wissenschaften, Abteilung der Material-Wissenschaft und Technik, der DAMHIRSCHKUH unter Vertrag Nein DE-AC02-05CH11231 unterstützt.

Last Update: 13. January 2012 10:34

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