德累斯顿理工大学 玻璃海绵
信用:罗纳德·塞德尔/伊戈尔·兹洛特尼科夫 海绵是地球上最古老的动物之一
它们生活在从湖泊到深海的广阔水域中
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
这些玻璃支架长期以来一直吸引着研究人员
海绵是如何将无序的玻璃操纵成如此规则的骨骼元素的？英国德累斯顿大学分子生物工程中心的研究人员与德累斯顿电子技术发展中心和瑞士保罗·舍勒研究所的瑞士光源团队首次确定了海绵中负责玻璃形成的蛋白质的三维结构
他们解释了最早的，事实上也是唯一已知的天然蛋白质矿物晶体是如何形成的
研究结果发表在《PNAS》杂志上
顾名思义，玻璃海绵有一个由玻璃针、钩子、星星和球体组成的玻璃骨架
为了实现这样一个独特的建筑，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
由一种叫做硅蛋白的蛋白质制成的细晶体纤维存在于这些玻璃元件的通道中
众所周知，硅蛋白晶体负责海绵中的玻璃合成和玻璃骨架的成型
然而，到目前为止，确定这种蛋白质的三维结构，描述它如何组装成晶体，以及如何形成玻璃骨架的努力都没有成功
主要是因为没有人能够在实验室复制这些晶体
由博士领导的一个研究小组
英国德累斯顿大学分子生物工程中心的伊戈尔·兹洛特尼科夫尝试了一种不同寻常的方法
研究人员决定从海绵骨架中取出玻璃针，分析已经存在于内部的微小晶体，而不是在实验室生产硅蛋白，并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纳米分析中心(DCN)和德累斯顿电子进步中心(cfaed)的研究人员一起，使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对玻璃针内的硅蛋白晶体进行了更仔细的观察
“我们观察到一种异常有序的同时又复杂的结构
分析一下样品，我们发现它是有机物和无机物的混合物
这意味着蛋白质和玻璃形成了一个混合的超结构，以某种方式塑造了海绵的骨架
Zlotnikov
获取蛋白质三维结构的传统方法是将它的晶体暴露在一束x光下
每一个蛋白质晶体都以不同的方式散射x光，提供了其内部排列的独特快照
通过旋转晶体并从多个角度收集这些快照，研究人员可以使用计算方法来确定三维蛋白质结构
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
然而，兹洛特尼科夫小组想分析比这小10倍的硅蛋白晶体
当暴露在x光下时，它们几乎立即被损坏，使得不可能从多个角度收集完整的快照数据集
在PSI瑞士光源团队的支持下，研究人员使用了一种新出现的方法，称为连续结晶学
“你结合了许多晶体的衍射图像，”参与这项研究的PSI光束线科学家菲利普·莱昂纳尔斯基说
“用传统方法拍电影
用这种新方法，你可以得到许多快照，然后再把它们结合起来，来破译这个结构
“每个快照都是在微小晶体的不同部位拍摄的，甚至是从不同的晶体拍摄的
研究人员总共从90根完全随机取向的玻璃针上收集了3500多张x光衍射快照
使用最先进的计算方法，他们能够在混乱中找到秩序，并收集数据来确定硅蛋白的第一个完整的三维结构
“在这项研究之前，硅蛋白的结构是基于它与其他蛋白质的相似性而被假设的，”博士说
Zlotnikov
利用新获得的硅蛋白的三维结构，研究人员能够理解它在海绵玻璃骨架中的组装和功能
他们在玻璃针内建立了一个超结构的计算模型，并解释了用HRTEM获得的蛋白质-玻璃超结构的最初复杂图像
“我们提供了活生物体中功能性三维蛋白质玻璃超结构存在的详细信息
事实上，我们所描述的是第一个已知的天然存在的混合矿物-蛋白质晶体组合
Zlotnikov
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