Forskere syntetiserer nye kunstige molekyler, der efterligner et cellemembranprotein

I højere organismer, celler og organeller er omgivet af en membran, som spiller en afgørende rolle i ikke blot at skabe en barriere fra det ydre miljø, men også formidle udveksling af væsker, elektrolytter, proteiner, og andet nyttigt materiale. Som regel, disse membraner er sammensat af vandafvisende lag dannet af lipidmolekyler, med forskellige 'transmembrane' proteiner indlejret i dette dobbeltlagsark. Disse proteiner samles på en sådan måde, at de skaber unikke 'porte' eller 'kanaler', der åbner og lukker som reaktion på selektive molekyler eller ioner under specifikke betingelser. Disse egenskaber ved selektivitet og sansekapacitet for en biologisk membran stammer fra dens sofistikerede struktur, og sammen gør de disse membraner til en attraktiv model for syntese af nye materialer, der bruges til at udvikle avancerede sanse- og separationsanordninger. Imidlertid, kunstigt at udvikle sådanne molekylære samlinger - der kan samle sig i en membran i en funktionelt aktiv orientering - har været udfordrende indtil nu.

Fremme af forskningen om kunstige molekyler, i en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere fra Tokyo Tech udviklede en syntetisk kanal, der kan efterligne ion-transportaktiviteten af ​​naturlige ionkanaler. Prof Kazushi Kinbara og Prof Takahiro Muraoka, medforfatterne af undersøgelsen, forklare, "En stor hindring, der begrænser anvendelsen af ​​kunstige transmembranmolekyler, er at opnå den funktionelt aktive orientering. Vi forsøgte at skabe et transmembranmolekyle, der ville overvinde denne vanskelighed."

For at nå dette mål, forskerne fokuserede på strukturen af ​​en biologisk ionkanal, der spænder over membranen flere gange, og brugte det som grundlag for at designe to kunstige molekyler. Disse molekyler var sammensat af både vandafvisende strukturblokke, kaldet BPO -enhed, og vandopløselige dele kaldet oligoethylenglycolkæder. Disse strukturelle egenskaber giver disse kunstige molekyler kapacitet til selvaggregering, når de er indlejret i membraner. Molekylerne indeholdt også fosfatgrupper, der yderligere hjalp dem med at opnå den korrekte orientering på tværs af membranerne.

Næste, forskerne fokuserede på et af de to molekyler, at analysere dets strukturelle egenskaber. De observerede, at når passende agnlignende 'ligand'-molekyler blev tilsat til en opløsning indeholdende det kunstige molekyle, de bundet med succes til strukturen - bekræfter, at strukturen faktisk var funktionelt aktiv. I øvrigt, da disse molekyler blev introduceret til en præformet membran, de kunne indsætte og orientere sig i membranen på egen hånd. I nærvær af de specifikke ligander, de membranindlejrede makromolekyler ændrede deres strukturer og transporterede ioner, herunder lithium, kalium, og natriumioner. Fordi det syntetiske molekyle viste lovende resultater med kunstige membraner, forskerne testede det derefter i levende celler. Ved hjælp af en teknik kaldet fluorescensmikroskopi, de observerede, at makromolekylet viste de samme funktionelle egenskaber, herunder differentiel ligandbinding og regulerede iontransportaktiviteter, også i biologiske membraner!

Taget sammen, undersøgelsen viser, hvordan et kunstigt designet molekyle kan samle sig selv, lokalisere, orientere, og efterligner den biologiske iontransportproces. Disse fund kan potentielt anspore fremskridt inden for biomimetisk regulering. Forfatterne konkluderer optimistisk, "De lovende resultater af vores undersøgelse adresserede en vedvarende begrænsning, der blokerede måden at bruge kunstige biomimetiske membranproteiner på anvendte marker."