Die evolutionäre Rolle von Aktin in ausgeklügelten Architekturen von Biosilika in Schwämmen

Spikulogenese oder das Wachstum glasartiger Strukturen und Biomineralisation bei frühen Schwammarten haben dazu geführt Realisierung von hochgradig regelmäßigen Glasarchitekturen in der Natur. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene WissenschaftHermann Ehrlich und ein Team internationaler Wissenschaftler untersuchten eine bisher unbekannte Rolle der Protein Aktin.

Das Team von Biomineralogen verwendete moderne bioanalytische Methoden, um das Vorhandensein des Proteins Aktin darin nachzuweisen Glasstrukturen von Schwämmen um eine Schlüsselfrage zu stellen: „Wie wächst biologisches Glas?“ Aktin ist ein grundlegendes Mitglied einer alten Superfamilie struktureller intrazellulärer Proteine ​​und spielt eine wichtige Rolle im Zytoskelett der Zelle und in der Zelldynamik in beiden Prokaryoten und Eukaryoten. Das Protein hat zusätzliche Funktionen in Metazoen, die die Ablagerung von Biosilika für mehr als 500 Millionen Jahre musterte. In dieser Arbeit lieferte das Team eine Antwort auf eine grundlegende Frage in der bioinspirierten Biomaterialwissenschaft in Bezug auf das Wachstum von „biologischem Glas“, um zu zeigen, wie axiale Filamente in der Silica-Architektur von Metazoen in vivo gemustert sind. Die Wissenschaftler zeigten auch, warum Metazoen über Umgebungstemperaturen (von -1,9 °C bis 24 °C) hinaus wuchsen, um Abmessungen im Meterbereich zu erreichen.

Actin steckt voller Überraschungen

Der Hauptautor der Studie, Hermann Ehrlich, Professor und Leiter der Forschungsgruppe Biomineralogie und Extreme Biomimetik an der Technischen Universität Freiberg, kommentierte den Prozess als „eines der am gründlichsten untersuchten grundlegenden Proteine, das noch immer gültig ist Überraschungen. … Jüngste Ergebnisse zeigten, wie Aktin eine neue Rolle bei der Organisation des Skelettmusters für die grundlegendsten Tiere – die Schwämme – spielte. Die Forscher fassten ihre Strategie zusammen als „einen Versuch zu sehen, was jeder gesehen hat, und zu denken, was niemand gedacht hat“. Um diesen ehrgeizigen Forschungsplan zur Rolle von Aktin in Meeresschwämmen zu verwirklichen, haben Ehrlich et al. verwendet eine Reihe von bioanalytischen Methoden, einschließlich Proteomik, Western-BlottingPhalloidin-Färbung, Immunfärbung, hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Schnelle Fourier-Transformationstechniken. Mit diesen Methoden zeigte das Team, wie axiale Filamente in einer Reihe repräsentativer Schwammklassen, einschließlich Hexactinellida und Demospongien bestanden aus F-Aktin. Ehrlich sagte: „Erstaunlicherweise sogar riesige axiale Filamente des riesigen Glasschwamms Monorhaphis chuni bestehen aus F-Aktin, um die größten je gemeldeten Aktin-Filamentbündel zu enthüllen.“

Eine alte Rolle mit einem modernen Twist.

Das Team hob hervor, wie die konservierte Morphologie von Schwamm-Biomaterialien eine alte Rolle beschreibt, für die F-Aktin zumindest gespielt hatte 545 Millionen Jahre. In der Studie haben Ehrlich et al. schlugen vor, dass F-Aktin in einem angestammten intrazellulären kieselsäurehaltigen Konstruktraum lokalisiert ist. Das Wachstum von glasartigen Strukturpartikeln, bekannt als Spicules oder Spiculogenese könnten die Materialien in extrazelluläre Räume transportiert haben, wo das Aktin weiterhin eine musterbildende Rolle spielte. Die Wissenschaftler zeigten, wie Aktin in solchen Glasstrukturen offenbar eine neue Funktion als treibende Kraft zur Definition der Vielfalt hochentwickelter Biosilica-Strukturen in Schwämmen zu erfüllen scheint. Während der Studie entwickelten die Forscher eine neue Methode, um im mikroskopischen Maßstab zu arbeiten, um axiale Filamente aus kieselsäurehaltigen Mikrostrukturen zu isolieren, die von verschiedenen Schwammarten stammen. Die Wissenschaftler trugen sanft einen Tropfen von 10 Prozent auf Fluorwasserstoffsäure auf die Oberfläche einer Nadel, um der Säure zu erleichtern, das Biosilica aufzulösen und die organische Matrix intakt zu lassen. Annäherung nutzen und begleiten Immunfluoreszenzfärbung, Ehrlichet al. identifizierten Aktin in den axialen Filamenten einer Vielzahl von Schwämmen.

Charakterisierung der Aktinfilamente

Das Forschungsteam nutzte eine breite Palette von Experimenten – beispielsweise mithilfe von Proteomik – um Aktin als Bestandteil axialer Filamente aufzudecken und gleichzeitig das Vorhandensein von Aktin in Nadeln von Glasschwämmen aufzudecken. Sie verwendeten auch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, um die zu sehen und zu verstehen periodische Struktur von Aktingefolgt von einer Fourier-Transformations-Bildgebung, um die Struktur dieser Kristalle zu bestimmen, während die nanostrukturelle Organisation axialer Filamente untersucht wird, typisch für F-Aktin. Sie führten dann durch Hemmtests um die Bildung von Nadeln zu verhindern, um die Rolle von Aktin während der Entwicklung von Nadeln in vivo zu untersuchen. Die Ergebnisse der Forschung spiegelten frühere Arbeiten wider, die zeigten, wie die Störung des Aktin-Netzwerks die Sekretion von biomineralisierten Elementen störte marine einzellige Haptophyten. Ehrlichet al. stellen sich eine mutige Richtung für die Forschungsergebnisse vor und schreiben, dass diese Ergebnisse „eine Auswirkung auf die Forschung in einer Vielzahl von Disziplinen haben werden, darunter bioinspirierte Materialwissenschaften, Biomechanik, Biomineralisation, Wissenschaftschemie, funktionelle Materialien und Biomimetik“.

Ausblick auf extreme Biomimetik

Das Team beabsichtigt, eine In-vitro-Polymerisation von Aktin-Monomeren zu Filamenten unter Modellbedingungen in Gegenwart von durchzuführen Kieselsäure. Auf diese Weise bestätigten Hermann Ehrlich und Kollegen das Vorhandensein von Aktin in verkieselten Skelettkonstrukten ausgewählter Schwämme aus kaltem und warmem Wasser. Der weite Temperaturbereich bestätigte das Vorhandensein von Aktin als aktinreiche axiale Filamente in Hexactinellida und Demospongien Schwämme, um Muster zu erzeugen und die erstaunliche strukturelle Vielfalt von zu schaffen Biosilica-basierte Skelette—eine Quelle der Inspiration in der biologischen Materialwissenschaft. Das Team nahm an, dass die Rolle von Aktin aufgrund der morphologischen Erhaltung von Schwämmen durch Fossilienfunde für mindestens 545 Millionen Jahre uralt ist. Sie schlugen die Evolution von F-Aktin in intrazellulären Konstrukten der Vorfahren vor, mit der Absicht, anspruchsvolle 3D-Biomaterialien und neue silikathaltige Materialien im Labor herzustellen. Die Wissenschaftler schreiben: „Die Aussicht, neue silikathaltige Materialien zu schaffen, indem Aktinfilamente verwendet werden, um dreidimensionale Architekturen aufrechtzuerhalten, wird äußerst interessant sein, um ein biomimetisches Modell zu bilden und die Mineralisierung im Labor zu untersuchen.“

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