Биомедицинские исследователи разработали первые примеры биомиметических структур, состоящих из загадочного класса белков, у которых отсутствует какая-либо внутренняя структура.
В статье под названием «Программирование молекулярной самосборки внутренне неупорядоченных белков, содержащих последовательности низкой сложности», опубликованной 1 января 2019 г.30 в журнале Nature Chemistry исследователи из Университета Дьюка, Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл и Университета Нью-Мексико раскрывают способность организованно контролировать самосборку и разборку этих структур.
Прогресс позволит более тщательно изучить эти интересные белки и их клеточную функцию, а также предоставит новые возможности для биомедицинских приложений, включая доставку лекарств и регенеративную медицину.
Отличительной чертой функции белка является его способность складываться в замысловатые кусочки оригами для взаимодействия с определенными биомолекулярными структурами. В то время как исследователи работают над идентификацией сотен тысяч неизвестных белковых структур, чтобы лучше понять их, другой класс белков несколько ускользнул из поля зрения.
Первоначально описанные как маленькие точки внутри клеток, эти белки образуют жидкие, гелеобразные агрегаты или частицы, которые не имеют установленной или идентифицируемой внутренней структуры. Они «внутренне беспорядочны», очень похожи на комок спагетти, который, хотя и совершенно случайный, все же решительно остается вместе, когда его подают голодной семье.
Отчеты показывают, однако, что эти белки играют важную роль в клеточной функции, выполняя такие действия, как соединение молекул в определенных особых местах и контролируя, где происходят реакции. Но из-за их беспорядочной природы их разработка в лаборатории оставалась сложной задачей.
«Одним из основных усилий нашей группы было понять самосборку этих типов белков и использовать их в качестве наноскопических строительных материалов», - сказал вице-президент UNM по исследованиям Габриэль Лопес, который начал работу в качестве директора Центр материаловедения и инженерии (MRSEC) Университета Дьюка, который является соавтором статьи. «Обычно вы не думаете о белках в материаловедении, но наша цель заключалась в том, чтобы использовать внутренне неупорядоченные белки в качестве материалов для создания более крупных структур."
"Это был долгий путь", - повторил Ашутош Чилкоти, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Университета Дьюка, который помогал руководить работой. «Было проделано много работы по пониманию их клеточных функций, но не очень много по их инженерии. Эта работа поможет нам лучше понять эти сложные частицы и найти для них новые применения».
В статье исследователи описывают процесс, напоминающий образование капель масла и воды в заправке для салата. За исключением этого, «масло» представляет собой каплю концентрированного белкового раствора, размер и образование которого вызываются раздражителями окружающей среды. Это позволяет создавать капли, которые будут покрывать друг друга, подобно сборке луковицы из разных белков, образующих концентрические слои.
Исследователи показывают, что они могут генетически программировать, когда происходят различные стадии «формирования луковицы». Например, при повышении температуры белки из растворимых становятся нерастворимыми, так что они образуют капли, богатые белком. При наличии нескольких таких белков в растворе дальнейшее повышение температуры приводит к тому, что второй белок образует слой вокруг первого. Другие факторы окружающей среды, такие как уровень pH, также могут спровоцировать такие образования.
«Было важно убедиться, что у нас есть две отдельные «ручки», которые нужно поворачивать, чтобы регулировать последовательность и тип слоев в этой «луковице», - сказал Майкл Рубинштейн, заслуженный профессор химии Джона П. Баркера. в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. «Мы можем либо изменить последовательность аминокислот в белках, либо изменить количество этих аминокислот в молекуле. Мы также можем добавить белки, содержащие гидрофобные и гидрофильные блоки, которые действуют как мыло, разбивая некоторые слои нашей «луковицы» на крошечные капельки, которые похожи на изюм в булочке."
«Я надеюсь, что разработанная нами платформа поможет нам понять, как различные генетические последовательности в неупорядоченных белках влияют на их поведение и функцию», - сказал Джозеф Саймон, аспирант группы Чилкоти в Университете Дьюка, который является одним из первых автор на бумаге.«Возможность создавать луковичные частицы этих белков и контролировать их размер позволит использовать их во множестве интересных приложений».
Одно из применений неупорядоченных белков - доставка лекарств. Исследователи уже создают небольшие частицы, которые могут быть загружены лекарствами и нацелены на определенные участки опухоли или заболевания для доставки.
Другая область связана с тканевой инженерией, где каждая капля может нести клетку для сборки ткани, которая может восстановить часть поврежденного органа. Например, эти маленькие капельки могут нести строительные блоки функциональной сердечной мышцы, которая может заменить поврежденную ткань после сердечного приступа. Они могли бы даже стать основой для биологического «тонера» для использования в биопринтере.
«Мы хотим лучше понять правила, регулирующие их сборку, не только для того, чтобы использовать функциональность этих белков для медицинских применений, но и для исследования нерегулируемых фазовых переходов белков в клетках, которые, как считается, способствуют различным заболеваниям», - сказал ассистент UNM. Профессор химической и биологической инженерии Ник Кэрролл, который также является соавтором.«Мы только начинаем понимать эти структуры и их применение, так что это очень захватывающее открытие».