Целью исследования, опубликованного 11 июля в журнале Nature, было создание искусственных белков для самосборки на поверхности кристалла путем создания точного соответствия между структурой аминокислот в белке и атомами кристалл. Возможность программировать эти взаимодействия может позволить разрабатывать новые биомиметические материалы с индивидуальными цветами, химической реактивностью или механическими свойствами или служить каркасами для наноразмерных фильтров, солнечных элементов или электронных схем.
«Биология обладает удивительной способностью упорядочивать материю от атомного масштаба до синих китов», - сказал соавтор Харли Пайлс, аспирант Медицинского института белкового дизайна Университета Вашингтона. «Теперь, используя белковый дизайн, мы можем создавать совершенно новые биомолекулы, которые собираются в масштабах от атомов до миллиметров. В этом случае слюда - природный кристалл - действует как большая опорная плита Lego®, поверх которой мы собираем новые белковые архитектуры."
Дизайн новых молекул, связывающих минералы, был вдохновлен белками, взаимодействующими со льдом. На молекулярном уровне лед плоский и состоит из твердых молекул воды с атомарной точностью. В природе белки соответствуют этим схемам, что позволяет им прилипать ко льду.
Команда использовала вычислительный молекулярный дизайн для создания новых белков с индивидуальными схемами электрического заряда на их поверхности, как если бы они были наноблоками Lego®, идеально подходящими для слюдяной базовой пластины. Синтетические гены, кодирующие эти дизайнерские белки, помещали внутрь бактерий, которые затем массово производили белки в лаборатории.
Исследователи обнаружили, что разные узоры формируют разные узоры на поверхности слюды. Перепроектировав части белков, команда смогла создать сотовую решетку, в которой они могли в цифровом виде настроить диаметр пор всего на несколько нанометров, что примерно равно ширине одиночной молекулы двойной спирали ДНК.
«Это важная веха в изучении взаимодействия белок-материал», - сказал Дэвид Бейкер, директор IPD, профессор биохимии в Медицинской школе Вашингтонского университета и соавтор исследования. «Мы достигли беспрецедентной степени упорядоченности, разработав блоки, которые самособираются в выровненные ряды наностержней, точных шестиугольных решеток и изысканных нанопроволок толщиной в одну молекулу».
Исследование стало возможным благодаря использованию атомно-силовой микроскопии, в которой используется крошечная игла для картирования молекулярных поверхностей, очень похожая на то, как игла из проигрывателя считывает информацию в канавках виниловой пластинки. Результаты АСМ показывают, что структуры, образованные белками, контролируются тонким балансом между запланированными взаимодействиями с поверхностью слюды и силами, которые появляются только тогда, когда большое количество белков действует согласованно, как бревна на реке.
«Несмотря на то, что мы разработали специфические взаимодействия на атомном уровне, мы получаем эти структуры отчасти потому, что белки вытесняются водой и вынуждены собираться вместе», - сказал Джеймс Де Йорео, материаловед из PNNL и содиректор NW IMPACT, совместного исследовательского проекта PNNL и UW, направленного на открытие и продвижение материалов. «Это было неожиданное поведение, демонстрирующее, что нам нужно лучше понять роль воды в упорядочении белков в системах молекулярного масштаба».
Возможность создавать функциональные белковые нити и решетки с нуля также может позволить создавать совершенно новые материалы, не похожие ни на какие существующие в природе. Полученные результаты могут привести к новым стратегиям синтеза схем полупроводников и металлических наночастиц для фотоэлектрических приложений или приложений для хранения энергии. Или же белковые соты можно использовать в качестве чрезвычайно точных фильтров, по словам соавтора Шуай Чжана, исследователя с докторской степенью в PNNL. «Поры должны быть достаточно малы, чтобы отфильтровывать вирусы из питьевой воды или отфильтровывать твердые частицы из воздуха», - сказал Чжан.
Разработка и синтез белков, образующих сотовую решетку, были поддержаны Управлением науки Министерства энергетики, а АСМ-визуализация и анализ были поддержаны Центром науки о синтезе в разных масштабах, исследовательским центром Energy Frontier, поддерживаемым Министерством энергетики. Дизайн и синтез белковых наностержней и нанопроволок были поддержаны Фондом подарков исследований IPD, Фондом медицинских исследований Майкельсона и Инициативным фондом белкового дизайна. Разработка протоколов визуализации АСМ была поддержана Materials Synthesis and Simulations Across Scales, инициативой, финансируемой из внутренних источников PNNL.