科学家确定海绵中玻璃成型蛋白的结构

海绵是地球上最古老的动物。它们生活在从湖泊到深海的广泛水域中。值得注意的是，一些海绵的骨架是由高度对称的玻璃结构网络构成的。这些玻璃支架在很长一段时间内引起了研究人员的兴趣。海绵如何将无序的玻璃操纵到如此规则的骨骼元素中?德累斯顿工业大学分子生物工程中心B CUBE的研究人员，德累斯顿电子技术先进研究中心(cfaed)和瑞士Paul Scherrer研究所的瑞士光源团队共同确定了三维(3-D)。 )负责在海绵中形成玻璃的蛋白质的结构。他们解释了最早，实际上是唯一已知的天然蛋白质矿物质晶体是如何形成的。PNAS。

顾名思义，玻璃海绵具有基于玻璃的骨架，该骨架由玻璃针，钩，星星和球体组成。为了实现这种独特的架构，他们必须操纵无序玻璃的形状以形成高度规则和对称的元素。在这些玻璃元件内部的通道中存在由蛋白质制成的细晶体纤维，称为硅酸盐。众所周知，硅酸盐晶体负责海绵中的玻璃合成和玻璃骨架的成型。然而，直到现在，人们仍在努力确定这种蛋白质的3-D结构，描述其如何组装成晶体，以及那些如何形成玻璃骨架的方法仍未成功。主要是因为没有人能够在实验室中复制这些晶体。

由德累斯顿大学分子生物学工程中心B CUBE的Igor Zlotnikov博士领导的一组研究人员尝试了一种不同寻常的方法。研究人员决定从海绵骨架中拿出玻璃针来分析内部已经存在的微小晶体，而不是在实验室中生产硅酸盐，而是试图获得实验室生长的晶体来研究结构。

兹洛特尼科夫小组与德累斯顿先进电子技术中心德累斯顿纳米分析中心(DCN)的研究人员一起使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)仔细观察了装在玻璃针中的硅酸盐晶体。“我们观察到了异常有序且同时复杂的结构。分析样本后我们发现它是有机和无机物质的混合物。这意味着蛋白质和玻璃都形成了混合的上层结构，从而以某种方式塑造了海绵的骨架。”。兹洛特尼科夫博士解释说。

获得蛋白质3-D结构的传统方法是将其晶体暴露在X射线束中。每个蛋白质晶体以不同的方式散射X射线，从而提供其内部布置的独特快照。通过旋转晶体并从多个角度收集此类快照，研究人员可以使用计算方法确定3-D蛋白质结构。这种方法被广泛使用，并且是现代结构生物学的基础。它适用于至少10微米大小的晶体。但是，兹洛特尼科夫小组想要分析的硅酸盐晶体要小10倍左右。当暴露于X射线时，它们几乎立即被损坏，从而无法从多个角度收集快照的完整数据集。

在PSI瑞士光源(SLS)团队的支持下，研究人员使用了一种称为串行晶体学的新兴方法。参与这项研究的PSI射线束科学家Filip Leonarski说：“您可以合并来自许多晶体的衍射图像。” “使用传统方法拍摄电影。使用新方法，您将获得许多快照，然后将它们组合起来以解密结构。” 每个快照都是在微小晶体的不同部分拍摄的，甚至是在不同晶体上拍摄的。

研究人员总共从90个玻璃针中以完全随机的方向收集了3500多个单独的X射线衍射快照。使用最先进的计算方法，他们能够找到混乱中的秩序并将数据组合起来，从而确定硅酸盐的第一个完整的3-D结构。

兹洛特尼科夫博士说：“在这项研究之前，基于与其他蛋白质的相似性推测了硅酸盐的结构。” 使用新获得的3D硅酸铝结构，研究人员能够了解其在海绵玻璃骨架内部的组装和功能。他们建立了玻璃针内部上层结构的计算模型，并解释了用HRTEM获得的蛋白质-玻璃上层结构的初始复杂图像。

兹洛特尼科夫博士总结说：“我们提供了有关活生物体中功能性3-D蛋白质-玻璃超结构的存在的详细信息。实际上，我们所描述的是第一个已知的天然存在的杂化矿物-蛋白质晶体组装体。”

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