Hydratationsfeststoffe

May 14, 2023

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

52 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Hygroskopische biologische Stoffe in Pflanzen, Pilzen und Bakterien machen einen großen Teil der Biomasse der Erde aus1. Obwohl sie metabolisch inert sind, tauschen diese auf Wasser reagierenden Materialien Wasser mit der Umgebung aus und lösen Bewegungen aus2,3,4,5 und haben technologische Anwendungen inspiriert6,7. Trotz der Vielfalt in der chemischen Zusammensetzung zeigen hygroskopische biologische Materialien in mehreren Lebensreichen ein ähnliches mechanisches Verhalten, einschließlich Änderungen in Größe und Steifigkeit mit der relativen Luftfeuchtigkeit8,9,10,11,12,13. Hier berichten wir über Rasterkraftmikroskopie-Messungen an den hygroskopischen Sporen14,15 eines gewöhnlichen Bodenbakteriums und entwickeln eine Theorie, die das beobachtete Gleichgewicht, Nichtgleichgewicht und auf Wasser reagierende mechanische Verhalten erfasst und feststellt, dass diese durch die Hydratationskraft gesteuert werden16,17. 18. Unsere auf der Hydratationskraft basierende Theorie erklärt eine extreme Verlangsamung des Wassertransports und sagt erfolgreich eine starke nichtlineare Elastizität und einen Übergang der mechanischen Eigenschaften voraus, der sich vom glasigen und poroelastischen Verhalten unterscheidet. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Wasser nicht nur biologischer Materie Fließfähigkeit verleiht, sondern durch die Hydratationskraft auch makroskopische Eigenschaften steuern und einen „Hydratationsfeststoff“ mit ungewöhnlichen Eigenschaften entstehen lassen kann. Ein großer Teil der biologischen Materie könnte zu dieser besonderen Klasse fester Materie gehören.

Dies ist eine Vorschau der Abonnementinhalte, Zugriff über Ihre Institution

Greifen Sie auf Nature und 54 weitere Nature Portfolio-Zeitschriften zu

Holen Sie sich Nature+, unser preisgünstigstes Online-Zugangsabonnement

29,99 $ / 30 Tage

jederzeit kündigen

Abonnieren Sie diese Zeitschrift

Erhalten Sie 51 gedruckte Ausgaben und Online-Zugriff

199,00 $ pro Jahr

nur 3,90 $ pro Ausgabe

Leihen oder kaufen Sie diesen Artikel

Holen Sie sich diesen Artikel nur so lange, wie Sie ihn benötigen

39,95 $

Die Preise können örtlicher Steuern unterliegen, die beim Bezahlvorgang berechnet werden

Quelldaten für Abb. 1a,d–f, 3a,b, 4a–i und 5b,c sowie Extend Data Abbs. 2, 4 und 5 liegen dem Papier bei. Die Rohdaten für Auslegerauslenkungen (Abb. 1c – f), Sporenhöhe (Abb. 1a und 3a, b), Kraft-Weg-Kurven (Abb. 4b – f) und dynamische Steifigkeitsmessungen (Abb. 5c) sind in figshare verfügbar (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58.

Die für die Datenverarbeitung, Kurvenanpassung und Darstellung verwendeten MATLAB-Codes sind in figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58 verfügbar.

Bar-On, YM, Phillips, R. & Milo, R. Die Biomasseverteilung auf der Erde. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 115, 6506–6511 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dawson, C., Vincent, JFV & Rocca, A.-M. Wie sich Tannenzapfen öffnen. Nature 390, 668–668 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Elbaum, R., Zaltzman, L., Burgert, I. & Fratzl, P. Die Rolle von Weizengrannen in der Samenverbreitungseinheit. Wissenschaft 316, 884–886 (2007).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Fratzl, P. & Barth, FG Biomaterialsysteme für Mechanosensorik und Aktuatorik. Natur 462, 442–448 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Dumais, J. & Forterre, Y. „Gemüsedynamik“: Die Rolle von Wasser bei Pflanzenbewegungen. Ann. Rev. Fluid Mech. 44, 453–478 (2012).

Artikel ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Burgert, I. & Fratzl, P. Betätigungssysteme in Pflanzen als Prototypen für bioinspirierte Geräte. Phil. Trans. R. Soc. A 367, 1541–1557 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, X. et al. Ausweitung der wasserbetriebenen Energieumwandlung im Nanomaßstab auf verdunstungsbetriebene Motoren und Generatoren. Nat. Komm. 6, 7346 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Pasanen, AL, Pasanen, P., Jantunen, MJ & Kalliokoski, P. Bedeutung der Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit für die Freisetzung von Pilzsporen in die Luft. Atmosphäre Umgebung. Teil A 25, 459–462 (1991).

Artikel ADS Google Scholar

Zhao, L., Schaefer, D. & Marten, MR Bewertung der Elastizität und Topographie von Aspergillus nidulans-Sporen mittels Rasterkraftmikroskopie. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 71, 955–960 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Agnarsson, I., Dhinojwala, A., Sahni, V. & Blackledge, TA Spinnenseide als neuartiger biomimetischer Hochleistungsmuskel, der durch Feuchtigkeit angetrieben wird. J. Exp. Biol. 212, 1990–1994 (2009).

Artikel PubMed Google Scholar

Sahin, O., Yong, EH, Driks, A. & Mahadevan, L. Physikalische Grundlage für die adaptive Flexibilität von Bacillus-Sporenhüllen. JR Soc. Schnittstelle 9, 3156–3160 (2012).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Qu, Z. & Meredith, JC Der atypisch hohe Modul von Pollen-Exin. JR Soc. Schnittstelle 15, 20180533 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Lazarus, BS et al. Engineering mit Keratin: ein funktionelles Material und eine Quelle der Bioinspiration. iScience 24, 102798 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Westphal, AJ, Price, PB, Leighton, TJ & Wheeler, KE Kinetik der Größenänderungen einzelner Bacillus thuringiensis-Sporen als Reaktion auf Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 100, 3461 (2003).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, X., Mahadevan, L., Driks, A. & Sahin, O. Bacillus-Sporen als Bausteine ​​für auf Reize reagierende Materialien und Nanogeneratoren. Nat. Nanotechnologie. 9, 137–141 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Israelachvili, JN & Pashley, RM Molekulare Schichtung von Wasser an Oberflächen und Ursprung abstoßender Hydratationskräfte. Natur 306, 249–250 (1983).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Rau, DC & Parsegian, VA Direkte Messung der Kräfte zwischen den linearen Polysacchariden Xanthan und Schizophyllan. Science 249, 1278–1281 (1990).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Parsegian, VA & Zemb, T. Hydratationskräfte: Beobachtungen, Erklärungen, Erwartungen, Fragen. Curr. Meinung. Kolloidschnittstellenwissenschaft. 16, 618–624 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Nicholson, WL, Munakata, N., Horneck, G., Melosh, HJ & Setlow, P. Resistenz von Bacillus-Endosporen gegenüber extremen terrestrischen und außerirdischen Umgebungen. Mikrobiol. Mol. Biol. Rev. 64, 548–572 (2000).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gerhardt, P. & Black, SH Permeabilität von Bakteriensporen II. J. Bakteriol. 82, 750–760 (1961).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mertens, J. et al. Markierungsfreier Nachweis der DNA-Hybridisierung basierend auf der durch Hydratation induzierten Spannung in Nukleinsäurefilmen. Nat. Nanotechnologie. 3, 301–307 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Moeendarbary, E. et al. Das Zytoplasma lebender Zellen verhält sich wie ein poroelastisches Material. Nat. Mater. 12, 253–261 (2013).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Krynicki, K., Green, CD & Sawyer, DW Druck- und Temperaturabhängigkeit der Selbstdiffusion in Wasser. Faraday-Diskussion. Chem. Soc. 66, 199–208 (1978).

Artikel Google Scholar

Biot, MA Allgemeine Theorie der dreidimensionalen Konsolidierung. J. Appl. Physik. 12, 155–164 (1941).

Artikel ADS MATH Google Scholar

Storm, C., Pastore, JJ, MacKintosh, FC, Lubensky, TC & Janmey, PA Nichtlineare Elastizität in biologischen Gelen. Natur 435, 191–194 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Sheiko, SS & Dobrynin, AV Architekturcode für Gummielastizität: von superweichen bis superfesten Materialien. Macromolecules 52, 7531–7546 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Granick, S., Bae, SC, Kumar, S. & Yu, C. Kontroversen über begrenzte Flüssigkeiten stehen kurz vor dem Abschluss? Physik 3, 73 (2010).

Artikel Google Scholar

Khan, SH, Matei, G., Patil, S. & Hoffmann, PM Dynamische Verfestigung in nanobegrenzten Wasserfilmen. Physik. Rev. Lett. 105, 106101 (2010).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Liu, AJ & Nagel, SR Der blockierende Übergang und der geringfügig blockierte Körper. Annu. Rev. Kondensatoren. Materiephysik. 1, 347–369 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Hu, Y., Zhao, X., Vlassak, JJ & Suo, Z. Verwendung von Einrückungen zur Charakterisierung der Poroelastizität von Gelen. Appl. Physik. Lette. 96, 121904 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Wheeler, TD & Stroock, AD Die Transpiration von Wasser bei Unterdruck in einem synthetischen Baum. Natur 455, 208–212 (2008).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Bertinetti, L., Fratzl, P. & Zemb, T. Chemische, kolloidale und mechanische Beiträge zum Wasserzustand in Holzzellwänden. Neue J. Phys. 18, 083048 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Garcia, R. Nanomechanische Kartierung weicher Materialien mit dem Rasterkraftmikroskop: Methoden, Theorie und Anwendungen. Chem. Soc. Rev. 49, 5850–5884 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kulasinski, K., Derome, D. & Carmeliet, J. Einfluss der Hydratation auf die mikromechanischen Eigenschaften der Polymerverbundstruktur von Holz, untersucht mit atomistischen Simulationen. J. Mech. Physik. Solids 103, 221–235 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fernandes, AN et al. Nanostruktur von Cellulose-Mikrofibrillen in Fichtenholz. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 108, E1195–E1203 (2011).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Yasuda, H. et al. Mechanisches Rechnen. Natur 598, 39–48 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Hong, W., Zhao, X., Zhou, J. & Suo, Z. Eine Theorie der gekoppelten Diffusion und großen Verformung in Polymergelen. J. Mech. Physik. Solids 56, 1779–1793 (2008).

Artikel ADS CAS MATH Google Scholar

Harwood, CR & Cutting, SM Molekularbiologische Methoden für Bacillus (Wiley, 1990).

Scherrer, R., Beaman, TC & Gerhardt, P. Makromolekulare Siebung durch die ruhende Spore von Bacillus cereus. J. Bakteriol. 108, 868–873 (1971).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rubinson, KA & Krueger, S. Polyethylenglykole 2000–8000 in Wasser können planar sein: eine Strukturstudie zur Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS). Polymer 50, 4852–4858 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Dünweg, B., Reith, D., Steinhauser, M. & Kremer, K. Korrekturen der Skalierung in den hydrodynamischen Eigenschaften verdünnter Polymerlösungen. J. Chem. Physik. 117, 914–924 (2002).

Artikel ADS Google Scholar

Carrera, M., Zandomeni, RO & Sagripanti, J.-L. Nass- und Trockendichte von Bacillus anthracis und anderen Bacillus-Arten. J. Appl. Mikrobiol. 105, 68–77 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Fischer, H., Polikarpov, I. & Craievich, AF Die durchschnittliche Proteindichte ist eine vom Molekulargewicht abhängige Funktion. Proteinwissenschaft. 13, 2825–2828 (2004).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Knudsen, SM et al. Durchdringung ruhender Bacillus subtilis-Sporen durch Wasser und kleine Moleküle. J. Bakteriol. 198, 168–177 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ghosh, S. et al. Charakterisierung von Sporen von Bacillus subtilis, denen die meisten Hüllschichten fehlen. J. Bakteriol. 190, 6741–6748 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nagler, K. et al. Beteiligung von Hüllproteinen an der Sporenkeimung von Bacillus subtilis in Umgebungen mit hohem Salzgehalt. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 81, 6725–6735 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wells-Bennik, MHJ et al. Bakteriensporen in Lebensmitteln: Überleben, Entstehung und Wachstum. Annu. Rev. Food Sci. Technol. 7, 457–482 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Driks, A., Roels, S., Beall, B., Moran, CP & Losick, R. Subzelluläre Lokalisierung von Proteinen, die am Aufbau der Sporenhülle von Bacillus subtilis beteiligt sind. Genes Dev. 8, 234–244 (1994).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

McKenney, PT, Driks, A. & Eichenberger, P. Die Endospore von Bacillus subtilis: Aufbau und Funktionen der mehrschichtigen Hülle. Nat. Rev. Microbiol. 11, 33–44 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yoon, J., Cai, S., Suo, Z. & Hayward, RC Poroelastische Quellkinetik dünner Hydrogelschichten: Vergleich von Theorie und Experiment. Soft Matter 6, 6004–6012 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Raviv, U., Laurat, P. & Klein, J. Fluidität von Wasser beschränkt auf Subnanometerfilme. Natur 413, 51–54 (2001).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Patil, S., Matei, G., Oral, A. & Hoffmann, PM Fest oder flüssig? Verfestigung einer nanobegrenzten Flüssigkeit unter Ungleichgewichtsbedingungen. Langmuir 22, 6485–6488 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pearce, SP et al. Endliche Einkerbung stark gekrümmter elastischer Schalen. Proz. R. Soc. A 474, 20170482 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central MATH Google Scholar

Popov, VL, Heß, M. & Willert, E. Handbook of Contact Mechanics: Exact Solutions of Axisymmetric Contact Problems (Springer Nature, 2019).

Puttock, M. & Thwaite, E. Elastische Kompression von Kugeln und Zylindern bei Punkt- und Linienkontakt (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, 1969).

Garcia, PD & Garcia, R. Bestimmung der Elastizitätsmodule einer einzelnen auf einem starren Träger kultivierten Zelle durch Kraftmikroskopie. Biophys. J. 114, 2923–2932 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fletcher, NH In The Chemical Physics of Ice 165–197 (Cambridge Univ. Press, 1970).

Harrellson, SG et al. Daten für Hydratationsfeststoffe. figshare https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823 (2023).

Plomp, M., Leighton, TJ, Wheeler, KE & Malkin, AJ Die hochauflösende Architektur und Strukturdynamik von Bacillus-Sporen. Biophys. J. 88, 603–608 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Pasquina-Lemonche, L. et al. Die Architektur der Zellwand grampositiver Bakterien. Natur 582, 294–297 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Setlow, P. Sporen von Bacillus subtilis: ihre Resistenz gegen und Abtötung durch Strahlung, Hitze und Chemikalien. J. Appl. Mikrobiol. 101, 514–525 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Dittmann, C., Han, H.-M., Grabenbauer, M. & Laue, M. Ruhende Bacillus-Sporen schützen ihre DNA in kristallinen Nukleoiden vor Umweltstress. J. Struktur. Biol. 191, 156–164 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lee, SA et al. Eine Brillouin-Streuungsstudie der Hydratation von Li- und Na-DNA-Filmen. Biopolymers 26, 1637–1665 (1987).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cowan, AE, Koppel, DE, Setlow, B. & Setlow, P. Ein lösliches Protein ist in ruhenden Sporen von Bacillus subtilis unbeweglich, in gekeimten Sporen jedoch mobil: Auswirkungen auf die Sporenruhe. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 100, 4209–4214 (2003).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sunde, EP, Setlow, P., Hederstedt, L. & Halle, B. Der physikalische Zustand von Wasser in Bakteriensporen. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 106, 19334–19339 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken A. Driks (Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie, Loyola University Chicago, Maywood, IL, USA), der vor Abschluss der Arbeit verstarb, für die beigesteuerten Sporen, für die Diskussionen, die die hygroelastische Theorie beeinflussten, und für den Vorschlag zur Verwendung bekannter Sporen Siebeigenschaften von Sporen als Abschätzung der Porengröße. Die Finanzierung erfolgte durch das Early Career Research Program des US-Energieministeriums (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES), unter der Fördernr. DE-SC0007999 (Abb. 1 und experimentelle Daten in Abb. 3 und 4); vom Office of Naval Research unter den Auszeichnungsnr. N00014-19-1-2200 (Abb. 5 und theoretische Analysen in Abb. 3 und 4) und N00014-21-1-4004 (theoretische Analysen in Abb. 3 und 4); vom National Institute of General Medical Sciences der National Institutes of Health unter den Auszeichnungsnr. R35GM141953 (zu JD) und R35GM145382 (zu OS); und vom David and Lucile Packard Fellows Program. Wir erkennen die Nutzung von Einrichtungen und Instrumenten an, die von NSF durch die Columbia University, die Columbia Nano Initiative und das Materials Research Science and Engineering Center DMR-2011738 unterstützt werden.

Xi Chen

Aktuelle Adresse: Advanced Science Research Center (ASRC) am Graduate Center der City University of New York, New York, NY, USA

Ahmet-Hamdi Cavusoglu

Aktuelle Adresse: Merck Digital Sciences Studio (MDSS), Newark, NJ, USA

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Steven G. Harrellson, Michael DeLay

Fachbereich Physik, Columbia University, New York, NY, USA

Steven G. Harrellson & Ozgur Sahin

Abteilung für Biowissenschaften, Columbia University, New York, NY, USA

Michael S. DeLay, Xi Chen & Ozgur Sahin

Fakultät für Chemieingenieurwesen, Columbia University, New York, NY, USA

Ahmet-Hamdi Cavusoglu

Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie, Columbia University, New York, NY, USA

Jonathan Dworkin

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Princeton University, Princeton, NJ, USA

Howard A. Stone

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

MD, XC und OS entwarfen die Experimente zur Untersuchung der Relaxationskinetik mit nanomechanischen Cantilever-Sensoren. MD und XC entwickelten die experimentelle Apparatur für Messungen der Relaxationskinetik. MD führte die Messungen der Relaxationskinetik durch. MD, SGH, A.-HC und OS trugen zur Analyse der Messungen der Relaxationskinetik bei. MD und SGH führten Messungen der Sporenhöhe durch. XC führte Kraft-Weg-Kurvenmessungen durch. SGH und OS analysierten Messungen der auf Wasser reagierenden Größenänderung und der nichtlinearen Elastizität von Sporen. SGH und OS entwickelten Experimente zur Untersuchung des hygroelastischen Übergangs. SGH führte die Experimente zur Untersuchung des hygroelastischen Übergangs durch und analysierte die Daten. HAS hat zur theoretischen Analyse des hygroelastischen Übergangs beigetragen. JD hat Materialien beigesteuert. OS hat das hygroelastische Modell konzipiert. SGH war an der Entwicklung und Verfeinerung des hygroelastischen Modells beteiligt. MD, SGH, JD, HAS und OS trugen zu den Diskussionen bei. OS hat die Forschung entworfen. MD, SGH und OS haben das Papier mit Beiträgen aller Autoren erstellt.

Korrespondenz mit Ozgur Sahin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Peter Hoffmann und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines mit Sporen beschichteten Cantilevers. Maßstabsbalken ~20 µm. Der Ausleger ist T-förmig und etwa 300 µm lang und 30 µm breit, außer in der Nähe des freien Endes, wo die Breite etwa 60 µm beträgt.

Repräsentative Auslenkungssignale des Auslegers nach photothermischen Impulsen, dargestellt für einen Bereich relativer Luftfeuchtigkeit. Ablenkungssignale werden so normalisiert, dass die Ablenkung von Spitze zu Spitze 1 entspricht. Alle Kurven werden mit demselben sporenbeschichteten Cantilever erhalten. Sie sind repräsentativ für die Kurven aller fünf in Abb. 1d verwendeten Ausleger.

Quelldaten

a, Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Sporen von B. subtilis. Maßstabsleiste: 500 nm. Wildtyp-Sporen von B. subtilis haben einen Durchmesser von etwa 650 nm und eine Länge von 1 bis 1,5 µm. b, Abbildung des Querschnitts der Sporen von B. subtilis mit Darstellung der Kortex- und Hüllschichten, die den Kern umgeben, der das genetische Material enthält. Das Fell ist eine proteinhaltige, wasserdurchlässige Schicht49. AFM-Bilder der äußeren Oberfläche der Hülle zeigen eine Ansammlung paralleler Stäbchen, die aus Hüllenproteinen mit einer Periodizität von ~ 8 nm gebildet werden59. Der Kortex, ebenfalls eine wasserdurchlässige Schicht, ist ein locker vernetztes Netzwerk aus Peptidoglykanen, dessen Struktur der von vegetativen Zellen ähnelt. Das vegetative Peptidoglycan in B. subtilis hat einen durchschnittlichen Durchmesser von 4 nm, wie in AFM-Bildern beobachtet60. Die Dicke der Mantel- und Kortexschichten beträgt jeweils etwa 70 nm (siehe Methoden). Der Sporenkern enthält Proteine ​​und DNA. Der Kern ist dehydriert61 und die DNA ist in einem kristallinen Zustand verpackt62. Messungen des Elastizitätsmoduls von DNA-Filmen im kristallinen Zustand zeigen, dass der Young-Modul dieser Filme etwa 1,1 GPa63 beträgt, was darauf hindeutet, dass der Kern eher ein steifer Feststoff als eine Flüssigkeit ist. Diese Annahme wird auch durch die Beobachtung gestützt, dass lösliche Biomoleküle in den dehydrierten Kernen ruhender Sporen unbeweglich sind, bei der Keimung jedoch an Mobilität gewinnen, wenn der Kern hydratisiert wird64. Das Sporenwasser weist jedoch eine Rotationsmobilität auf, wie aus den Beobachtungen kurzer Rotationskorrelationszeiten von D2O in Sporen hervorgeht65. Diese Beobachtung weist auch darauf hin, dass Wasser in Sporen nicht in einem eisähnlichen (festen) Zustand vorliegt.

Verschiebungen in der Resonanzfrequenz von mit Sporen beschichteten Auslegern reagieren empfindlich auf die Menge des Wasseraustauschs. Wir haben diesen Effekt genutzt, um die relativen Auswirkungen des photothermischen Pulses und der relativen Luftfeuchtigkeit zu vergleichen. Hier zeichnen wir die relativen Änderungen der Grundresonanzfrequenz eines mit Sporen beschichteten Auslegers in zwei Fällen auf: (links, roter Balken) als Ergebnis eines photothermischen Impulses und (rechts, violetter Balken) als Reaktion auf eine Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit ab 80 % bis 10 %. Die Ergebnisse werden in Prozent angegeben. Sie weisen darauf hin, dass die Störung aufgrund des photothermischen Impulses gering ist und daher die vorübergehenden Auslenkungen des Auslegers als Reaktion auf photothermische Impulse ungefähr den Zustand der Sporen auf dem Sollwertniveau der relativen Luftfeuchtigkeit widerspiegeln.

Quelldaten

Die Sporenmengen werden durch die Sporenmasse dargestellt, die aus den Verschiebungen der Cantilever-Resonanzfrequenzen geschätzt wird. Zeitkonstanten werden für Wildtyp-Sporen von B. subtilis (Quadrat) und B. subtilis cotE gerE (Kreis) aufgetragen. Den Daten zufolge besteht kein klarer Zusammenhang zwischen der Zeitkonstante und der gesamten Sporenmasse, jedoch führt der Einfluss des Sporentyps zu einer statistisch signifikanten Änderung der Zeitkonstanten: Mittlere Zeitkonstante bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit für Wildtyp B. subtilis [Quadrat] beträgt ~118 ms und ~47,1 ms für B. subtilis cotE gerE [Kreis] (einseitiges T, p < .01).

Quelldaten

Springer Nature oder sein Lizenzgeber (z. B. eine Gesellschaft oder ein anderer Partner) besitzen die ausschließlichen Rechte an diesem Artikel im Rahmen einer Veröffentlichungsvereinbarung mit dem/den Autor(en) oder anderen Rechteinhaber(n); Die Selbstarchivierung der akzeptierten Manuskriptversion dieses Artikels durch den Autor unterliegt ausschließlich den Bedingungen dieser Veröffentlichungsvereinbarung und geltendem Recht.

Nachdrucke und Genehmigungen

Harrellson, SG, DeLay, MS, Chen, X. et al. Hydratationsfeststoffe. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

Zitat herunterladen

Eingegangen: 5. Oktober 2017

Angenommen: 27. April 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.