Designerproteiner danner ledninger og gitter på mineraloverfladen

Målet med forskningen, offentliggjort 11. juli i tidsskriftet Natur , var at konstruere kunstige proteiner til selvsamling på en krystaloverflade ved at skabe en nøjagtig match mellem mønsteret af aminosyrer i proteinet og atomerne i krystallen. Evnen til at programmere disse interaktioner kunne muliggøre design af nye biomimetiske materialer med tilpassede farver, kemisk reaktivitet eller mekaniske egenskaber, eller at tjene som stilladser til filtre i nanoskala, solceller eller elektroniske kredsløb.

"Biologi har en fantastisk evne til at organisere stof fra atomskalaen helt op til blåhvaler, sagde den første forfatter Harley Pyles, en kandidatstuderende ved UW Medicine's Institute for Protein Design. "Nu, ved hjælp af proteindesign, vi kan skabe helt nye biomolekyler, der samles fra atom- til millimeterlængde skalaer. I dette tilfælde, glimmer - en naturligt forekommende krystal - fungerer som en stor Lego-bundplade, hvorpå vi samler nye proteinarkitekturer."

Designet af de nye mineralbindende molekyler var inspireret af proteiner, der interagerer med is. På molekylær skala, is er flad og indeholder et atomisk præcist mønster af stive vandmolekyler. I naturen, proteiner matcher disse mønstre for at sætte dem i stand til at holde sig til isen.

Holdet brugte beregningsmæssigt molekylært design til at konstruere nye proteiner med tilpassede mønstre af elektrisk ladning på deres overflader, som om de var legoklodser i nanostørrelse, perfekt matchet til glimmerbundpladen. Syntetiske gener, der koder for disse designerproteiner, blev placeret inde i bakterier, som så masseproducerede proteinerne i laboratoriet.

Forskerne fandt ud af, at forskellige designs dannede forskellige mønstre på glimmeroverfladen. Ved at redesigne dele af proteinerne, holdet var i stand til at producere honeycomb-gitre, hvori de digitalt kunne justere porernes diametre med blot et par nanometer, som er omtrent bredden af ​​et enkelt DNA-dobbelt helix-molekyle.

"Dette er en milepæl i undersøgelsen af ​​protein-materiale-grænseflader, " sagde David Baker, direktør for IPD, en professor i biokemi ved University of Washington School of Medicine og co-senior forfatter af forskningen. "Vi opnåede en hidtil uset grad af orden ved at designe enheder, der samles selv i afstemte rækker af nanorods, præcise sekskantede gitter og udsøgte enkelt-molekyle-brede nanotråde."

Forskningen blev muliggjort ved brug af atomkraftmikroskopi, som bruger en lille nål til at kortlægge molekylære overflader, meget som hvordan nålen fra en pladespiller læser information i rillerne på en vinylplade. AFM-resultaterne viser, at arkitekturerne dannet af proteinerne er styret af en subtil balance mellem de designede interaktioner med glimmeroverfladen og kræfter, der kun opstår, når et stort antal proteiner virker sammen, som træstammer på en flod.

"Selvom vi designede specifikke interaktioner på atomniveau, vi får disse strukturer, delvis, fordi proteinerne bliver trængt ud af vandet og er tvunget til at pakke sammen, " sagde James De Yoreo, en materialeforsker ved PNNL og meddirektør for NW IMPACT, en fælles forskningsindsats mellem PNNL og UW for at styrke opdagelser og fremskridt inden for materialer. "Dette var uventet adfærd og viser, at vi bedre skal forstå vandets rolle i bestilling af proteiner i molekylære systemer."

At være i stand til at skabe funktionelle proteinfilamenter og gitter fra bunden kunne også tillade skabelse af helt nye materialer, i modsætning til nogen, der findes i naturen. Resultaterne kan føre til nye strategier til syntetisering af halvleder- og metalliske nanopartikelkredsløb til fotovoltaiske eller energilagringsapplikationer. Eller alternativt proteinet honningkager kunne bruges som ekstremt præcise filtre, ifølge medforfatter Shuai Zhang, en postdoktor ved PNNL. "Porerne ville være små nok til at filtrere vira ud af drikkevand eller filtrere partikler ud af luft, " sagde Zhang.

Design og syntese af honeycomb-gitterdannende proteiner blev støttet af DOE's Office of Science, og AFM -billeddannelse og analyse blev understøttet af The Center for Science of Synthesis Across Scales, et DOE-støttet Energy Frontier Research Center. Protein nanorod and nanowire design and synthesis were supported by the IPD Research Gift Fund, Michelson Medical Research Foundation, and Protein Design Initiative Fund. Development of AFM imaging protocols was supported by Materials Synthesis and Simulations Across Scales, an internally funded initiative at PNNL.

Researchers have created synthetic proteins, shown in orange, that form honeycomb-like structures on the atomic surface of mica, shown here as tan spheres.