Nanoskala proteinbeholdere kan hjælpe medicin, levering af vaccine

UCLA biokemikere har designet specialiserede proteiner, der samler sig til at danne små molekylære bure hundredvis af gange mindre end en enkelt celle. Oprettelsen af ​​disse miniaturestrukturer kan være det første skridt i retning af at udvikle nye metoder til levering af lægemidler eller endda at designe kunstige vacciner.

"Dette er den første afgørende demonstration af en tilgang, der kan bruges til at kombinere proteinmolekyler sammen for at skabe en hel række nanoskala materialer, "sagde Todd Yeates, en UCLA -professor i kemi og biokemi og medlem af UCLA – DOE Institute of Genomics and Proteomics og California NanoSystems Institute ved UCLA.

Udgivet 1. juni i tidsskriftet Videnskab , forskningen kunne bruges til at skabe bure af et vilkårligt antal forskellige proteiner, med potentielle anvendelser på tværs af medicin og molekylærbiologi.

UCLA-kandidatstuderende Yen-Ting Lai, hovedforfatter af undersøgelsen, brugte computermodeller til at identificere to proteiner, der kunne kombineres til perfekt formede tredimensionelle puslespil. Tolv af disse specialiserede stykker passer sammen for at skabe et molekylært bur, som kun er en brøkdel af størrelsen af ​​en virus.

"Hvis du bare forbinder to tilfældige proteiner sammen, du forventer at få et uregelmæssigt netværk, "sagde Yeates, seniorforfatter af undersøgelsen. "For at kontrollere geometrien, tanken var at lave et stift led, der holder de to proteiner på plads, som om de var dele af et legetøjspuslespil. "

De specielt designede proteiner blander sig for at danne et hul gitter, der kan fungere som beholder til levering af lægemidler, han sagde.

"I princippet, det ville være muligt at vedhæfte en genkendelsessekvens for kræftceller på ydersiden af ​​buret, med et toksin eller en anden 'magisk kugle' indeholdt inde i, "sagde Yeates." På den måde, Lægemidlet kunne leveres direkte til bestemte mål som tumorceller. "

På dette tidspunkt, de samlede proteinbure er porøse nok til, at et lægemiddel, der er placeret inde, sandsynligvis ville sive ud under leveringsprocessen, Sagde Lai. Hans næste projekt vil indebære at konstruere et nyt molekylærbur med et interiør, der vil blive bedre forseglet.

En anden anvendelse til de alsidige proteinstrukturer kan være som kunstige vacciner. Nogle traditionelle vacciner bruger et inaktivt overfladeprotein fra en virus til at narre kroppens immunsystem til at tro, at det er under angreb. Denne metode er ikke altid effektiv, fordi nogle gange ligner det pågældende protein ikke nok viruset til at udløse en stærk reaktion fra kroppens forsvarere.

Imidlertid, ved at dekorere overfladen af ​​et molekylærbur med flere kopier af virusidentificerende proteiner, de små strukturer kan bedre efterligne en virus, stimulere et immunrespons endnu stærkere end en traditionel vaccine og bedre beskytte den menneskelige modtager mod sygdom.

Inden disse proteinstrukturer kan bruges i medicinske applikationer, selve molekylærbeholderne skal konstrueres af menneskelignende proteiner, snarere end de i øjeblikket anvendte bakterielle proteiner, som menneskekroppen umiddelbart kan fjerne fra cirkulation, Sagde Yeates.

"Vores første udfordring vil være at gentage den slags designs med molekyler, der er mindre tilbøjelige til at generere et vært immunrespons, "sagde han." Generelt vi vil bruge proteiner, der ligner menneskelige proteiner, så kroppen ikke genkender dem som fremmed. "

Ideen om at bygge kompleks, selvsamlede proteinstrukturer har været Yeates 'ambition, siden han i 2001 offentliggjorde et papir, der skitserede forarbejde om denne metode. Alligevel forblev konceptet i 10 år, indtil Yen-Ting Lai sluttede sig til Yeates' forskningsgruppe. Med tre kandidatgrader - i strukturbiologi, bioinformatik og biomedicinsk teknik - Lai havde den rigtige kombination af færdigheder til at bringe forskningen til livs, Sagde Yeates.

Dette projekt er føderalt finansieret af National Science Foundation. Andre medforfattere inkluderer UCLA seniorforsker Duilio Cascio.

Et andet gennembrud

Et andet papir medforfatter af Yeates skaber lignende designede molekylære bure ved hjælp af flere kopier af det samme protein som byggesten. Forskerne styrer burets form ved at beregne sekvensen af ​​aminosyrer, der er nødvendige for at forbinde proteinerne sammen i de korrekte vinkler. Forskningen, også offentliggjort i dag i Videnskab , skyldes et samarbejde mellem UCLA -teamet og professor David Baker ved University of Washington.

Denne alternative metode repræsenterer en mere alsidig tilgang, fordi den kun kræver én type protein for at danne en struktur, Sagde Yeates. Imidlertid, udformning af forskellige former for forbindelser mellem de identiske proteiner er fortsat en stor udfordring. Hovedforfatter Neil King, en postdoktor ved University of Washington og en tidligere studerende i Yeates, tog de mange computergenererede muligheder og testede hver version eksperimentelt, indtil han fandt en, der producerede den rigtige adfærd.