Konstruktion af verdens mindste nanokrystal

I den naturlige verden, proteiner bruger processen med biomineralisering til at inkorporere metalliske elementer i væv, bruge det til at skabe forskellige materialer såsom muslingeskaller, tænder, og knogler. Imidlertid, måden proteiner faktisk gør dette på, er ikke godt forstået.

Nu, i forskning offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , videnskabsmænd fra gruppen af ​​Kam Zhang ved RIKEN Center for Life Science Technologies (CLST) og gruppen af ​​Jeremy Tame ved Yokohama City University i Japan har brugt et kunstigt designet protein til at skabe en cadmiumchlorid nanokrystal - den mindste krystal, der er rapporteret indtil videre, består af kun 19 atomer - klemt mellem to kopier af proteinet.

I 2014 grupperne annoncerede udviklingen af ​​et kunstigt protein, kaldet Pizza6, som ligner meget en pizza skåret i seks identiske skiver. Gruppernes mål var at designe nye proteiner - som ikke findes i naturen - som kunne bruges til en række forskellige formål. Proteiner som pizza, med sin høje grad af symmetri, ikke eksisterer naturligt, men fordi de kan skabes kunstigt, er attraktive stilladser til skabelse af nye hybride biomaterialer, der er egnede til en række forskellige formål, såsom lægemiddelpakning og levering til celler, eller endda bioremediering af farlige metaller i miljøet.

I den aktuelle forskning, Pizza-proteinet blev modificeret ved at indføre et metalbindingssted. Ifølge førsteforfatter Arnout Voet, som udførte arbejdet med at designe og bygge proteinerne, "Vores første drivkraft var at designe metalbindingssteder til at kontrollere selvsamlingen　af vores designede symmetriske proteiner. Vi brugte beregningsmetoder til at finde en rationel måde at inkorporere et metalbindingssted i Pizza-proteinet, vi tidligere havde designet, baseret på ideen om, at dette kunne give os mulighed for nemt at kontrollere proteinsamlingen. Vi tror på, at dette ville give os et nyt værktøj til at bygge nye proteiner fra bunden ved at bruge meget billige metalreagenser."

Ja, når proteinerne blev modificeret til at have et metalbindingssted og derefter anbragt i en opløsning af cadmiumchlorid, forskerne fandt ud af, at trimerer af proteinet spontant ville binde sammen. Ved at bruge RIKENs SPring-8 synkrotronanlæg i Harima og andre faciliteter, de analyserede strukturen på atomniveau og opdagede, interessant nok, at atomerne af cadmium og chlorid havde dannet et lille gitter - en krystalstruktur - klemt mellem to "pizzaer".

Ifølge den tilsvarende forfatter Kam Zhang, der ledede RIKEN-teamet, "Vi var meget spændte på at se dannelsen af ​​krystallen, da det giver indsigt i processen med biomineralisering - den proces, hvorigennem naturen inkorporerer metalliske elementer i væv for at danne strukturer såsom muslingeskaller, tænder, og knogler. Vores resultater indikerer gennemførligheden af ​​at bruge rationelt designede symmetriske proteiner til at biomineralisere nanokrystaller. At opnå dette kan give os mulighed for at lave en bred vifte af nano-enheder såsom biofarmaceutiske produkter, biosensorer, lysdrevne kontakter, og syntetiske enzymer fra bunden og op."

"Vi har mange ideer til, hvordan dette kan bruges yderligere, " fortsætter han, "og vil fortsætte med at eksperimentere for at finde nye egenskaber i disse kunstigt designede proteiner."