Forscher decken Beweise für einen „verborgenen Zustand“ mit gemeinsamen Ionen auf

Bei einer ansonsten unkomplizierten Untersuchung des Aufbaumechanismus von Calciumphosphat-Clustern machten Forscher der UC Santa Barbara und der New York University (NYU) eine überraschende Entdeckung: Phosphationen in Wasser haben die merkwürdige Angewohnheit, spontan zwischen ihrem häufig anzutreffenden hydratisierten Zustand zu wechseln und ein mysteriöser, zuvor nicht gemeldeter „dunkler“ Zustand.

Dieses kürzlich entdeckte Verhalten, sagen sie, hat Auswirkungen auf das Verständnis der Rolle von Phosphatspezies in der Biokatalyse, dem zellulären Energiegleichgewicht und der Bildung von Biomaterialien. Ihre Ergebnisse werden in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences

„Phosphat ist überall“, sagte UCSB-Chemieprofessor Songi Han, einer der Autoren eines Artikels in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Das Ion besteht aus einem Phosphoratom, das von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. „Es ist in unserem Blut und in unserem Serum“, fuhr Han fort. „Es ist im Puffer jedes Biologen, es ist auf unserer DNA und RNA.“ Es ist auch ein struktureller Bestandteil unserer Knochen und Zellmembranen, fügte sie hinzu.

Gebunden an Kalzium bilden Phosphate kleine, molekulare Klumpen auf ihrem Weg zur Bildung mineralischer Ablagerungen in Zellen und Knochen. Das wollten Han und seine Mitarbeiter Matthew Helgeson von der UCSB und Alexej Jerschow von der NYU untersuchen und charakterisieren, in der Hoffnung, Quantenverhalten in symmetrischen Phosphatclustern aufzudecken, die von UCSB-Physikprofessor Matthew Fisher vorgeschlagen wurden. Aber zuerst mussten die Forscher Kontrollexperimente einrichten, die Scans von Phosphationen in Abwesenheit von Kalzium durch Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und kryogene Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) beinhalteten.

Da die UCSB- und NYU-Studenten des Projekts Referenzdaten sammelten, die das natürlich vorkommende Isotop Phosphor 31 in wässrigen Lösungen bei unterschiedlichen Konzentrationen und Temperaturen beinhalteten, entsprachen ihre Ergebnisse nicht den Erwartungen. Zum Beispiel, sagte Han, soll sich die Linie, die das Spektrum für 31P während NMR-Scans darstellt, mit steigenden Temperaturen verengen.

„Der Grund dafür ist, dass die Moleküle bei höheren Temperaturen schneller taumeln“, erklärte sie. Typischerweise würde diese schnelle molekulare Bewegung die anisotropen Wechselwirkungen oder Wechselwirkungen, die von den relativen Orientierungen dieser kleinen Moleküle abhängig sind, ausgleichen. Das Ergebnis wäre eine Verengung der vom NMR-Instrument gemessenen Resonanzen.

„Wir erwarteten ein einfaches Phosphor-NMR-Signal mit einem Peak, der sich bei höheren Temperaturen verengt“, sagte sie. „Überraschenderweise haben wir jedoch Spektren gemessen, die sich verbreiterten und das komplette Gegenteil von dem bewirkten, was wir erwartet hatten.“

Dieses widersprüchliche Ergebnis brachte das Team auf einen neuen Weg und folgte einem Experiment nach dem anderen, um die Ursache auf molekularer Ebene zu bestimmen. Die Schlussfolgerung, nachdem ein Jahr lang eine Hypothese nach der anderen eliminiert wurde? Phosphationen bildeten Cluster unter einer Vielzahl von biologischen Bedingungen – Cluster, die sich dem direkten spektroskopischen Nachweis entzogen, weshalb sie wahrscheinlich noch nie zuvor beobachtet worden waren. Darüber hinaus deuteten die Messungen darauf hin, dass diese Ionen zwischen einem sichtbaren „freien“ Zustand und einem dunklen „zusammengesetzten“ Zustand wechselten, daher die Verbreiterung des Signals anstelle eines scharfen Peaks.

Außerdem nahm mit steigender Temperatur auch die Anzahl dieser zusammengesetzten Zustände zu, ein weiteres temperaturabhängiges Verhalten, so die Co-Hauptautorin Mesopotamia Nowotarski.

„Die Schlussfolgerung aus diesen Experimenten war, dass die Phosphate dehydrieren und dadurch näher zusammenrücken können“, sagte sie. Bei niedrigeren Temperaturen haftet die überwiegende Mehrheit dieser Phosphate in Lösung an Wassermolekülen, die einen schützenden Wassermantel um sie herum bilden. Dieser hydratisierte Zustand wird typischerweise angenommen, wenn man betrachtet, wie sich Phosphat in biologischen Systemen verhält.

Aber bei höheren Temperaturen, erklärte Nowotarski, werfen sie ihre Wasserschilde ab, sodass sie aneinander haften bleiben. Dieses Konzept wurde durch NMR-Experimente bestätigt, die die Phosphat-Wasserhülle untersuchten, und weiter durch die Analyse von Kryo-TEM-Bildern validiert, um das Vorhandensein von Clustern zu identifizieren, sowie durch die Modellierung der Energetik des Phosphataufbaus durch Co-Hauptautor Joshua Straub.

Diese dynamischen Phosphatanordnungen und Hydrathüllen haben laut den Forschern wichtige Auswirkungen auf die Biologie und Biochemie. Phosphat, sagte Chemieingenieur Matthew Helgeson, ist eine allgemein verständliche „Währung“, die in biologischen Systemen verwendet wird, um Energie durch Umwandlung in Adenosintriphosphat (ATP) und Adenosindiphosphat (ADP) zu speichern und zu verbrauchen.

„Wenn hydratisiertes Phosphat, ADP und ATP kleine ‚Geldscheine‘ darstellen, deutet diese neue Entdeckung darauf hin, dass diese kleineren Währungen mit viel größeren Stückelungen – sagen wir 100 Dollar – umgetauscht werden können, die möglicherweise ganz andere Wechselwirkungen mit biochemischen Prozessen haben als derzeit bekannte Mechanismen“, er sagte.

Außerdem enthalten viele biomolekulare Komponenten Phosphatgruppen, die in ähnlicher Weise Cluster bilden können. Daher könnte die Entdeckung, dass sich diese Phosphate spontan zusammensetzen können, etwas Licht auf andere grundlegende biologische Prozesse wie die Biomineralisation werfen – wie sich Schalen und Skelette bilden, sowie auf Proteinwechselwirkungen.

„Wir haben auch eine Reihe von Phosphaten getestet, einschließlich derjenigen, die in das ATP-Molekül eingebaut sind, und sie scheinen alle das gleiche Phänomen zu zeigen, und wir haben eine quantitative Analyse für diese Anordnungen erreicht“, sagte Co-Hauptautor Jiaqi Lu.

Dieser einst übersehene Prozess könnte auch im Bereich der Zellsignalisierung, des Stoffwechsels und von Krankheitsprozessen wie der Alzheimer-Krankheit von Bedeutung sein, wo die Anheftung einer Phosphatgruppe oder Phosphorylierung an das Protein Tau in unserem Gehirn häufig in neurofibrillären Verwicklungen zu finden ist – a Kennzeichen der Neurodegeneration. Nachdem das Team dieses Zusammenbauverhalten gesehen und untersucht hat, gräbt es nun tiefer, mit Studien über die Wirkung des pH-Werts auf den Phosphatzusammenbau, die genetische Translation und den Zusammenbau von modifizierten Proteinen sowie ihre ursprüngliche Arbeit zum Kalziumphosphatzusammenbau.

„Es verändert wirklich die Art und Weise, wie wir über die Rolle von Phosphatgruppen denken, die wir normalerweise nicht als Treiber des molekularen Zusammenbaus betrachten“, sagte Han.