Ingeniører finder en ny måde at skabe enkeltkædede proteinnanostrukturer på

Den gamle kunst at folde papir, kendt som origami, bruges til at lave indviklede fugle eller andre former. Inspireret af arbejdet med DNA-origami, hvor nanostrukturer er lavet af folde-DNA, et team af ingeniører ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har fundet en ny måde at skabe enkeltkædede proteinnanostrukturer ved at bruge syntetisk biologi og proteinsamlingsteknikker.

Holdet skabte nanostrukturer - i form af trekanter og firkanter - ved hjælp af stabile proteinbyggesten. Disse protein nanostrukturer kan tåle høje temperaturer og barske kemiske forhold, som begge ikke er mulige med DNA-baserede nanostrukturer. I fremtiden, disse protein nanostrukturer kunne bruges til at forbedre sansningsevner, fremskynde kemiske reaktioner, i medicinafgivelse og andre applikationer.

Når du forsøger at skabe protein-nanostrukturer, der er egnede til bestemte applikationer, forskere laver typisk modifikationer af eksisterende proteinstrukturer, såsom viruspartikler. Imidlertid, formerne af nanostrukturer, der kan laves ved hjælp af denne tilgang, er begrænset til, hvad naturen giver. Nu, Fuzhong Zhang, lektor i energi, miljø- og kemiteknik, og medlemmer af hans laboratorium har udviklet en bottom-up tilgang til at bygge 2-D nanostrukturer, hovedsageligt starte fra bunden.

"At bygge noget, som naturen ikke har tilbudt, er mere spændende, " sagde Zhang. "Vi tog individuelt foldede proteiner og brugte dem som byggesten, derefter samlet dem stykke for stykke, så vi kan skabe skræddersyede nanostrukturer."

Resultaterne af arbejdet blev offentliggjort i Naturkommunikation 25. juli.

Ved hjælp af syntetisk biologi tilgange, Zhangs team første biosyntetiserede stavformede proteinbyggesten, ligner i formen en blyant, men kun 12 nanometer lang.

Derefter, de forbandt disse byggesten sammen gennem reaktive proteindomæner, der var genetisk fusioneret til enderne af hver af stavene, danner trekanter med tre stænger og firkanter med fire stænger. Disse reaktive proteindomæner er kendt som delte inteiner, som ikke er nye i Zhangs laboratorium – de er de samme værktøjer, som hans gruppe bruger til at fremstille højstyrke syntetisk edderkoppesilke og syntetiske kopier af de klæbende muslingefodsproteiner.

I begge tilfælde disse splittede inteingrupper muliggør produktion af store proteiner, der gør den syntetiske edderkoppesilke sejere og stærkere og muslingefodsproteinerne klæbrig. I dette tilfælde, de muliggør konstruktionen af ​​nye nanostrukturer.

Zhangs team arbejdede med Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i ingeniørvidenskab, professor i biomedicinsk teknik og ekspert i biofysik af iboende forstyrrede proteiner, faseovergange og proteinfoldning. Både Zhang og Pappu er medlemmer af universitetets Center for Science &Engineering of Living Systems (CSELS).

"Professor Pappus laboratorium, specifikt tidligere postdoc Jeong-Mo Choi, hjalp os med at forstå, hvordan proteinsekvensen ved forbindelserne bestemmer fleksibiliteten af ​​disse nanostrukturer og hjalp os med at forudsige proteinsekvenser for bedre at kontrollere fleksibiliteten og geometrien af ​​nanostrukturer, " sagde Zhang. "Samarbejdet mellem mit syntetiske biologilaboratorium og professor Pappus biofysiske modelleringslaboratorium har vist sig meget produktivt."

Samarbejdet forenklede en meget kompleks proces.

"Når vi forstod designstrategien, arbejdet er ret ligetil og ret sjovt at udføre, " sagde Zhang. "Vi kontrollerede bare de forskellige funktionelle grupper, så kontrollerede de formerne."

På grund af den alsidige funktionalitet af proteiner, disse nanostrukturer kunne potentielt bruges som stilladser til at samle forskellige nanomaterialer. For at teste denne idé, holdet samlede 1 nanometer guld-nanopartikler præcist i trekantens spidser. Ved at bruge et avanceret elektronmikroskop i universitetets Institut for Materialevidenskab og Engineering, både proteintrekanterne og guldnanopartiklerne samlet til trekanternes hjørner var synlige.

For at teste stabiliteten af ​​disse proteinnanostrukturer, holdet udsatte dem for høje temperaturer, op til 98 grader Celsius, til kemikalier såsom guanidiumhydrochlorid, og til organiske opløsningsmidler såsom acetone. Mens disse forhold generelt ødelægger proteinstrukturer, strukturerne fra Zhangs laboratorium forblev intakte. Denne ultrastabilitet kunne muliggøre mere nanoskala applikationer, der er vanskelige eller ikke mulige ved hjælp af nanostrukturer lavet af DNA eller andre proteiner, sagde Zhang.

Næste, teamet arbejder med Srikanth Singamaneni, professor i maskinteknik og materialevidenskab og medlem af CSELS, at bruge disse protein nanostrukturer til at udvikle forbedrede plasmoniske sensorer.

"At udnytte samspillet mellem meget stabile strukturelle byggeklodser og iboende uordnede eller fleksible regioner giver en ny vej til at designe nanostrukturer med tilpasselige funktioner til en række anvendelser inden for syntetisk biologi og biomedicinske videnskaber, " sagde Pappu. "Dette er en af ​​de vigtigste træk ved vores center, som afspejlet af synergierne mellem tre forskellige laboratorier, der er en del af centret."