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Aug 19, 2023

Hydratationsfeststoffe

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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.

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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.

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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

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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

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Nachdrucke und Genehmigungen

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

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Eingegangen: 5. Oktober 2017

Angenommen: 27. April 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

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

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