Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
S-слой (поверхностный слой) — это часть клеточной оболочки, встречающаяся почти во всех археях, а также во многих типах бактерий. S-слои как архей, так и бактерий состоят из мономолекулярного слоя, образованного только одним (или, в некоторых случаях, двумя) идентичными белками или гликопротеинами. Эта структура формируется посредством самосборки и охватывает всю поверхность клетки. Таким образом, белок S-слоя может составлять до 15% от общего содержания белка в клетке. Белки S-слоя слабо консервативны или не консервативны вовсе и могут значительно различаться даже между близкородственными видами. В зависимости от вида, S-слои имеют толщину от 5 до 25 нм и содержат одинаковые поры диаметром 2–8 нм. Термин «S-слой» был впервые использован в 1976 году. Его широкое применение было принято на «Первом международном семинаре по кристаллическим поверхностным слоям бактериальных клеток, Вена (Австрия)» в 1984 году, а в 1987 году S-слои были определены на семинаре Европейской организации молекулярной биологии, посвященном «Кристаллическим поверхностным слоям бактериальных клеток» в Вене, как «Двумерные массивы белковых субъединиц, формирующих поверхностные слои на прокариотических клетках» (см. «Предисловие», стр. VI в Sleytr и др., 1988). Краткий обзор истории исследований S-слоев см. в разделе «Литература».
An S layer (surface layer) is a part of the cell envelope found in almost all archaea, as well as in many types of bacteria. The S layers of both archaea and bacteria consists of a monomolecular layer composed of only one (or, in a few cases, two) identical proteins or glycoproteins. This structure is built via self assembly and encloses the whole cell surface. Thus, the S layer protein can represent up to 15% of the whole protein content of a cell. S layer proteins are poorly conserved or not conserved at all, and can differ markedly even between related species. Depending on species, the S layers have a thickness between 5 and 25 nm and possess identical pores 2–8 nm in diameter. The terminology “S layer” was used the first time in 1976. The general use was accepted at the "First International Workshop on Crystalline Bacterial Cell Surface Layers, Vienna (Austria)" in 1984, and in the year 1987 S layers were defined at the European Molecular Biology Organization Workshop on “Crystalline Bacterial Cell Surface Layers”, Vienna as “Two dimensional arrays of proteinaceous subunits forming surface layers on prokaryotic cells” (see "Preface", page VI in Sleytr "et al. 1988"). For a brief summary on the history of S layer research see "References".
Структура S-слоя
В то время как S-слои широко распространены у архей и часто встречаются у бактерий, они обладают уникальными структурными свойствами, включая симметрию и размеры элементарной ячейки, обусловленными фундаментальными различиями в их строительных блоках. Анализ последовательностей белков S-слоя показал, что размеры этих белков варьируются от 40 до 200 кДа, и они могут состоять из нескольких доменов, некоторые из которых структурно связаны между собой. С момента первых свидетельств о макромолекулярной организации на фрагменте бактериальной клеточной стенки в 1950-х годах структура S-слоя интенсивно изучалась с помощью электронной микроскопии, а изображения S-слоев со средним разрешением, полученные в результате этих исследований, предоставили ценную информацию об общей морфологии S-слоя. Недавно с помощью рентгеновской кристаллографии были определены структуры высокого разрешения археального белка S-слоя (MA0829 из Methanosarcina acetivorans C2A) семейства Tile Protein S-слоя Methanosarcinales и бактериального белка S-слоя (SbsB) из Geobacillus stearothermophilus PV72. В отличие от существующих кристаллических структур, представлявших собой отдельные домены белков S-слоя или минорные белковые компоненты S-слоя, структуры MA0829 и SbsB позволили разработать модели S-слоев M. acetivorans и G. stearothermophilus с высоким разрешением. Эти модели демонстрируют гексагональную (p6) и косоугольную (p2) симметрию для S-слоев M. acetivorans и G. stearothermophilus соответственно, а их молекулярные характеристики, включая размеры и пористость, хорошо согласуются с данными, полученными в результате исследований S-слоев архей и бактерий с помощью электронной микроскопии. Кроме того, информация об этом динамическом процессе была получена в экспериментах по восстановлению S-слоя с использованием изолированных субъединиц на поверхностях клеток, с которых они были удалены (гомологичное восстановление), или на поверхностях других организмов (гетерологичное восстановление).
While ubiquitous among Archaea, and common in bacteria, the S layers of diverse organisms have unique structural properties, including symmetry and unit cell dimensions, due to fundamental differences in their constituent building blocks. Sequence analyses of S layer proteins have predicted that S layer proteins have sizes of 40 200 kDa and may be composed of multiple domains some of which may be structurally related. Since the first evidence of a macromolecular array on a bacterial cell wall fragment in the 1950s S layer structure has been investigated extensively by electron microscopy and medium resolution images of S layers from these analyses has provided useful information on overall S layer morphology. High resolution structures of an archaeal S layer protein (MA0829 from Methanosarcina acetivorans C2A) of the Methanosarcinales S layer Tile Protein family and a bacterial S layer protein (SbsB), from Geobacillus stearothermophilus PV72, have recently been determined by X ray crystallography. In contrast with existing crystal structures, which have represented individual domains of S layer proteins or minor proteinaceous components of the S layer, the MA0829 and SbsB structures have allowed high resolution models of the M. acetivorans and G. stearothermophilus S layers to be proposed. These models exhibit hexagonal (p6) and oblique (p2) symmetry, for M. acetivorans and G. stearothermophilus S layers, respectively, and their molecular features, including dimensions and porosity, are in good agreement with data from electron microscopy studies of archaeal and bacterial S layers. Moreover, information concerning this dynamic process were obtained from reconstitution experiments with isolated S layer subunits on cell surfaces from which they had been removed (homologous reattachment) or on those of other organisms (heterologous reattachment).
Сборка in vitro
Белки S-слоя обладают естественной способностью к самосборке в регулярные мономолекулярные массивы в растворе и на интерфейсах, таких как твердые носители, граница раздела воздух-вода, липидные пленки, липосомы, эмульсомы, нанокапсулы, наночастицы или микрочастицы. Рост кристаллов S-слоя происходит по неканоническому пути, в котором заключительный этап сворачивания белка S-слоя является частью формирования кристаллической решетки.
S layer proteins have the natural capability to self assemble into regular monomolecular arrays in solution and at interfaces, such as solid supports, the air water interface, lipid films, liposomes, emulsomes, nanocapsules, nanoparticles or micro beads. S layer crystal growth follows a non classical pathway in which a final refolding step of the S layer protein is part of the lattice formation.
Применение
Коренные белки S-слоя уже использовались три десятилетия назад при разработке биосенсоров и ультрафильтрационных мембран. В дальнейшем, белки S-слоя, слитые со специфическими функциональными доменами (например, ферментами, лигандами, мимотопами, антителами или антигенами), позволили исследовать совершенно новые стратегии функционализации поверхностей в области наук о жизни, такие как разработка новых аффинных матриц, мукозных вакцин, биосовместимых поверхностей, микроносителей и систем инкапсуляции, а также в материаловедении в качестве шаблонов для биоминерализации.
Native S layer proteins have already been used three decades ago in the development of biosensors and ultrafiltration membranes. Subsequently, S layer fusion proteins with specific functional domains (e. g. enzymes, ligands, mimotopes, antibodies or antigens) allowed to investigate completely new strategies for functionalizing surfaces in the life sciences, such as in the development of novel affinity matrices, mucosal vaccines, biocompatible surfaces, micro carriers and encapsulation systems, or in the material sciences as templates for biomineralization.