Design af selvsamlende protein nanomaskiner begynder at klikke

(Phys.org) — En rute til at konstruere protein nanomaskiner, der er konstrueret til specifikke applikationer, kan være tættere på virkeligheden.

Biologiske systemer producerer en utrolig række af selvsamlende, funktionelle proteinværktøjer. Nogle eksempler på disse proteinmaterialer i nanoskala er stilladser til at forankre cellulære aktiviteter, molekylære motorer til at drive fysiologiske hændelser, og kapsler til levering af vira ind i værtsceller.

Forskere inspireret af disse sofistikerede molekylære maskiner ønsker at bygge deres egne, med former og funktioner tilpasset til at tackle nutidens udfordringer.

Evnen til at designe nye protein-nanostrukturer kunne have nyttige implikationer i målrettet levering af lægemidler, i vaccineudvikling og i plasmonik - manipulation af elektromagnetiske signaler til at lede lysdiffraktion til informationsteknologier, energiproduktion eller anden anvendelse.

En nyligt udviklet beregningsmetode kan være et vigtigt skridt hen imod dette mål. Projektet blev ledet af University of Washingtons Neil King, translationel efterforsker; Jacob Bale, kandidatstuderende i Molekylær og Cellulær Biologi; og William Sheffler i David Bakers laboratorium ved University of Washington Institute for Protein Design, i samarbejde med kolleger på UCLA og Janelia Farm.

Arbejdet er baseret på Rosetta makromolekylære modelleringspakke udviklet af Baker og hans kolleger. Programmet blev oprindeligt skabt til at forudsige naturlige proteinstrukturer ud fra aminosyresekvenser. Forskere i Baker-laboratoriet og rundt om i verden bruger i stigende grad Rosetta til at designe nye proteinstrukturer og sekvenser, der har til formål at løse problemer i den virkelige verden.

"Proteiner er fantastiske strukturer, der kan gøre bemærkelsesværdige ting, "Kongen sagde, "de kan reagere på ændringer i deres miljø. Eksponering for en bestemt metabolit eller en temperaturstigning, for eksempel, kan udløse en ændring i et bestemt proteins form og funktion." Folk kalder ofte proteiner for livets byggesten.

"Men i modsætning til sige, et PVC-rør, "Kongen sagde, "de er ikke blot byggemateriale." De er også bygnings- (og nedrivningsarbejdere) – hvilket fremskynder kemiske reaktioner, nedbryde mad, medbringer beskeder, interagerer med hinanden, og udfører utallige andre pligter, der er afgørende for livet.

Rapportering i 5. juni udgave af Natur , forskerne beskriver udviklingen og anvendelsen af ​​ny Rosetta-software, der muliggør design af nye proteinnanomaterialer sammensat af flere kopier af forskellige proteinunderenheder, som arrangerer sig selv i højere orden, symmetriske arkitekturer.

Med den nye software var forskerne i stand til at skabe fem romaner, 24-underenheder bur-lignende protein nanomaterialer. Vigtigt, de faktiske strukturer, forskerne observerede, var i meget tæt overensstemmelse med deres computermodellering.

Deres metode afhænger af kodning af par af proteinaminosyresekvenser med den information, der er nødvendig for at dirigere molekylær samling gennem protein-protein-grænseflader. Grænsefladerne giver ikke kun de energiske kræfter, der driver samlingsprocessen, de orienterer også præcist parrene af proteinbyggesten med den geometri, der kræves for at give de ønskede burlignende symmetriske arkitekturer.

At skabe dette burformede protein, sagde forskerne, kan være et første skridt i retning af at bygge containere i nanoskala. King sagde, at han ser frem til en tid, hvor kræftlægemiddelmolekyler vil blive pakket inde i designet nanocages og leveret direkte til tumorceller, skåner sunde celler.

"Problemet i dag med kræftkemoterapi er, at det rammer alle celler og får patienten til at føle sig syg, " sagde King. Emballering af stofferne i skræddersyede nanovehicles med parkeringsmuligheder begrænset til kræftsteder kan omgå bivirkningerne.

Forskerne bemærker, at man kun kombinerer to typer symmetrielementer, som i denne undersøgelse, kan i teorien give anledning til en række symmetriske former, såsom kubikpunktgrupper, helixer, lag, og krystaller.

King forklarede, at immunsystemet reagerer på gentagne, symmetriske mønstre, såsom dem på overfladen af ​​en virus eller sygdomsbakterier. At bygge nano-lokkefugle kan være en måde at træne immunsystemet til at angribe visse typer patogener.

"Dette koncept kan blive grundlaget for vacciner baseret på konstruerede nanomaterialer, " sagde King. Længere nede ad vejen, han og Bale forudser, at disse designmetoder også kan være nyttige til udvikling af nye rene energiteknologier.

Forskerne tilføjede i deres rapport, "Den præcise kontrol over grænsefladegeometrien, der tilbydes af vores metode, muliggør design af to-komponent protein nanomaterialer med forskellige nanoskala funktioner, såsom overflader, porer, og interne volumener, med høj nøjagtighed."

De fortsatte med at sige, at de mulige kombinationer med to-komponent materialer i høj grad udvider antallet og variationen af ​​potentielle nanomaterialer, der kunne designes.

Det kan være muligt at producere nanomaterialer i forskellige størrelser, former og arrangementer, og også gå videre til at konstruere mere og mere komplekse materialer fra mere end to komponenter.

Forskerne understregede, at det langsigtede mål med sådanne strukturer ikke er at være statiske. Håbet er, at de vil efterligne eller gå ud over den dynamiske ydeevne af naturligt forekommende proteinsamlinger, og at der i sidste ende kunne fremstilles nye molekylære proteinmaskiner med programmerbare funktioner.

Forskerne påpegede, at selvom design af proteiner og proteinbaserede nanomaterialer er meget udfordrende på grund af den relative kompleksitet af proteinstrukturer og interaktioner, der er nu mere end en håndfuld laboratorier rundt om i verden, der gør store fremskridt på dette område. Hver af de førende bidragydere har nøglestyrker, de sagde. Styrken ved UW-teamet ligger i nøjagtigheden af ​​matchningen af ​​de designede proteiner til beregningsmodellerne og forudsigeligheden af ​​resultaterne.