In-celle nano-3D printer:Syntetiserer stabile filamenter fra in-celle proteinkrystaller

Proteiner er uden tvivl nogle af de mest fascinerende biomolekyler, og de udfører mange af de funktioner, der (i vores øjne) adskiller liv fra livløst stof. Multimolekylære proteinsamlinger har endda storskala strukturelle funktioner, som det fremgår af fjer, hår, og skæl hos dyr. Det burde ikke komme som nogen overraskelse, at med fremskridt inden for avanceret nanoteknologi og bioteknik, kunstige proteinsamlinger har fundet anvendelse på en række forskellige områder, herunder katalyse, molekylær lagring, og medicinafgivelsessystemer.

Imidlertid, at producere bestilte proteinsamlinger er fortsat udfordrende. Det er særligt svært at få monomerer, byggestenene i proteiner, at samle stabilt i de ønskede strukturer; dette kræver generelt meget nøjagtigt design og kontrol af syntesebetingelser, såsom pH (surhed) og temperatur. Nylige undersøgelser fandt måder at omgå dette problem ved at bruge proteinkrystaller - faste molekylære arrangementer, der forekommer naturligt i nogle organismer - som forløbermatricer til at producere proteinsamlinger.

På Tokyo Institute of Technology, Japan, et team af videnskabsmænd ledet af professor Takafumi Ueno har arbejdet på en lovende tilgang til syntetisering af proteinsamlinger fra proteinkrystaller. Deres strategi involverer at introducere mutationer i den genetiske kode af en organisme, der naturligt producerer proteinkrystaller. Disse mutationer får disulfidbindinger (S-S) til at dannes mellem monomerer på meget specifikke steder i krystallerne. Krystallerne opløses derefter, men i stedet for at bryde fuldstændigt ned i deres individuelle monomerer som normalt, de nyligt indførte S-S-bindinger holder grupper af monomerer sammen, og krystallerne opdeles i mange af de ønskede proteinsamlinger. Med denne tilgang, Uenos team har formået at syntetisere proteinbure og -rør ved i det væsentlige at bruge levende celler som nano-3D-printere.

I deres seneste undersøgelse, som blev offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , holdet demonstrerede endnu en anvendelse af deres nye strategi; denne gang til syntese af bundtede proteinfilamenter. De brugte en kultur af insektceller (Spodoptera frugiperda) inficeret med en virus, der forårsagede overekspression af en monomer kaldet "TbCatB." Disse monomerer aggregerer naturligt inde i cellerne til proteinkrystaller, som holdes sammen der af de relativt svage ikke-kovalente interaktioner mellem monomerer. Forskerne introducerede strategisk to mutationer i cellerne, så hver monomer havde to thiolgrupper (-SH) af cystein på kritiske grænsefladepunkter med andre monomerer.

Krystallerne blev ekstraheret fra cellerne og efterladt til oxidation ved stuetemperatur, hvilket fik thiolgrupperne til at ændre sig til stærke S-S-bindinger mellem monomerer, der støder op i en enkelt retning ved autooxidation under luft. Når krystallerne var opløst, disse disulfidbindinger, sammen med nogle dvælende ikke-kovalente interaktioner, resulterede i dannelsen af ​​bundtede proteinfilamenter, der var to monomerer brede - omkring 8,3 nanometer. "Med vores strategi, vi opnåede et meget præcist arrangement af proteinmolekyler, mens vi undertrykte tilfældig aggregering af monomerer på grund af uønskede sulfidbindinger, alt sammen i en forholdsvis ligetil one-pot proces, " fremhæver Ueno.

Samlet set, den tilgang, som teamet på Tokyo Tech har demonstreret, er en innovativ måde at syntetisere proteinstrukturer på via rationel genteknologi og ved at bruge de værktøjer, der er naturligt tilgængelige for celler fra visse organismer. "Vi betragter vores syntesemetode som et nyttigt fremskridt inden for nano-biomaterialevidenskab og supramolekylær kemi til fremstilling af ønskede stabile samlinger fra proteinkrystaller, " konkluderer Ueno. Kun tiden vil vise, hvilke andre nyttige molekylære strukturer, der kan fremstilles ved hjælp af denne strategi, og hvilke interessante applikationer de vil finde.