Molekylær velcro kan føre til omkostningseffektive alternativer til naturlige antistoffer

Med inspiration fra det menneskelige immunsystem, forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skabt et nyt materiale, der kan programmeres til at identificere en endeløs række af molekyler. Det nye materiale ligner bittesmå plader af velcro, hver kun hundrede nanometer på tværs. Men i stedet for at sikre dine sneakers, denne molekylære velcro efterligner den måde, naturlige antistoffer genkender vira og toksiner på, og kunne føre til en ny klasse af biosensorer.

"Antistoffer har et virkelig effektivt arkitektonisk design:et strukturelt stillads, der stort set forbliver det samme, om det er for slangegift eller forkølelse, og endeløst variable funktionelle sløjfer, der binder fremmede angribere, " siger Ron Zuckermann, en senior videnskabsmand ved Berkeley Labs Molecular Foundry. "Vi har efterlignet det her, med et todimensionelt nanoark-stillads dækket med små funktionelle løkker som velcro."

Zuckermann, Direktør for Molecular Foundry's Biological Nanostructures Facility, er tilsvarende forfatter på et papir, der rapporterer om disse resultater ACS Nano , med titlen "Antibody-Mimetic Peptoid Nanosheets for Molecular Recognition." Medforfatter til papiret er Gloria K. Olivier, Andrew Cho, Babak Sanii, Michael D. Connolly, og Helen Tran.

Zuckermanns nanoark-stilladser er selvsamlede af peptoider – syntetiske, bio-inspirerede polymerer, der kan foldes til proteinlignende arkitekturer. Som perler på en snor, hvert peptoidmolekyle er en lang kæde af små molekylære enheder arrangeret i et bestemt mønster. I tidligere arbejde, Zuckermann viste, hvordan visse simple peptoider kan folde sig selv til nanoplader, der kun er få nanometer tykke, men op til hundrede mikrometer på tværs - dimensioner svarende til en en millimeter tyk plastikplade på størrelse med en fodboldbane.

"Grunden til at nanoark dannes er fordi der er en kode for det programmeret direkte ind i peptoiderne, " siger Zuckermann. "I dette tilfælde er det ganske vist et ret rudimentært program, men det viser hvordan, hvis du blot bringer en lille smule sekvensinformation:Bom! Du kan lave et nanoark."

For at skabe funktionelle løkker på nanoarkene, forskerne indsætter korte molekylære segmenter i nanopladedannende peptoidpolymerer. Mens peptoiderne strikker sig sammen til ark, de indsatte segmenter er udelukket fra folden, skubbes i stedet ud i løkker på nanopladens overflade. De funktionelle sløjfer kan programmeres til selektivt at binde visse enzymer eller uorganiske materialer, hvilket gør det nye materiale lovende til kemisk sensing og katalyse.

"Fordelen her er, at vi er i stand til at lave disse materialer med meget højt udbytte, " siger Gloria Olivier, en postdoc-forsker og hovedforfatter på papiret. "Vi låner denne idé om at sammenkæde en bestemt sekvens af monomerer, som naturen bruger til at bygge 3D-proteinstrukturer, og anvende det til verden af ​​ikke-naturlige materialer, at skabe et virkelig brugbart materiale, der kan samle sig selv."

Forskerne demonstrerede fleksibiliteten af ​​deres metode ved at skabe nanoark med løkker af varierende sammensætning, længde, og tæthed; de lavede nanoark, der kan vælge specifikke enzymer ud af en opløsning, forårsager kemiske ændringer, der kan påvises med standardteknikker, og andre, der binder selektivt til guldmetal, så væksten af ​​guld nanopartikler og film.

"Peptoider kan modstå meget hårdere forhold end peptider, deres modstykke i naturen, " siger Olivier. "Så hvis du ville bygge en diagnostisk enhed, der kan tages uden for et laboratorium, eller en enhed, der kan screene for biomarkører i nærværelse af en blanding af proteiner som proteaser, peptoider er et fremragende valg."

Ser man ud over de spændende applikationer, Zuckermann påpeger, at dette arbejde repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at udvide reglerne for proteinfoldning til verden af ​​syntetiske materialer.

siger Zuckermann, "Det er sådan set, hvad hele mit forskningsprogram her handler om:at lære af rigdommen af ​​kemisk sekvensinformation, der findes i biologien for at skabe nye typer avancerede syntetiske materialer. Vi er egentlig lige begyndt at ridse overfladen."