(Phys.org) -Een route voor het bouwen van eiwit-nanomachines die zijn ontworpen voor specifieke toepassingen, ligt misschien dichter bij de realiteit.

Biologische systemen produceren een ongelooflijke reeks zelfassemblerende, functionele eiwittools. Enkele voorbeelden van deze eiwitmaterialen op nanoschaal zijn steigers om cellulaire activiteiten te verankeren, moleculaire motoren om fysiologische gebeurtenissen aan te drijven, en capsules voor het afleveren van virussen in gastheercellen.

Wetenschappers geïnspireerd door deze geavanceerde moleculaire machines willen hun eigen, met vormen en functies die zijn aangepast om hedendaagse uitdagingen aan te gaan.

Het vermogen om nieuwe eiwit-nanostructuren te ontwerpen, kan nuttige implicaties hebben bij gerichte afgifte van medicijnen, bij de ontwikkeling van vaccins en in plasmonica – het manipuleren van elektromagnetische signalen om lichtdiffractie voor informatietechnologieën te leiden, energieproductie of ander gebruik.

Een recent ontwikkelde rekenmethode kan daarbij een belangrijke stap zijn. Het project werd geleid door Neil King van de Universiteit van Washington, translationeel onderzoeker; Jacob Bale, afgestudeerde student Moleculaire en Cellulaire Biologie; en William Sheffler in het laboratorium van David Baker aan het University of Washington Institute for Protein Design, in samenwerking met collega's van UCLA en Janelia Farm.

Het werk is gebaseerd op het Rosetta macromoleculaire modelleringspakket ontwikkeld door Baker en zijn collega's. Het programma is oorspronkelijk gemaakt om natuurlijke eiwitstructuren te voorspellen op basis van aminozuursequenties. Onderzoekers in het Baker-lab en over de hele wereld gebruiken Rosetta steeds vaker om nieuwe eiwitstructuren en sequenties te ontwerpen die gericht zijn op het oplossen van echte problemen.

"Eiwitten zijn verbazingwekkende structuren die opmerkelijke dingen kunnen doen, " zei koning "ze kunnen reageren op veranderingen in hun omgeving. Blootstelling aan een bepaalde metaboliet of een stijging van de temperatuur, bijvoorbeeld, kan een verandering in de vorm en functie van een bepaald eiwit veroorzaken." Mensen noemen eiwitten vaak de bouwstenen van het leven.

"Maar niet zoals, zeggen, een PVC-buis, " zei koning "het zijn niet zomaar bouwmaterialen." Ze zijn ook bouw- (en sloop)arbeiders die chemische reacties versnellen, voedsel afbreken, boodschappen dragen, met elkaar omgaan, en het uitvoeren van talloze andere taken die essentieel zijn voor het leven.

Rapportage in het nummer van 5 juni van Natuur , de onderzoekers beschrijven de ontwikkeling en toepassing van nieuwe Rosetta-software die het ontwerp mogelijk maakt van nieuwe eiwitnanomaterialen die zijn samengesteld uit meerdere kopieën van verschillende eiwitsubeenheden, die zich in een hogere orde rangschikken, symmetrische architecturen.

Met de nieuwe software konden de wetenschappers vijf romans maken, 24-subeenheid kooi-achtige eiwit nanomaterialen. belangrijk, de eigenlijke structuren, observeerden de onderzoekers, waren in zeer nauwe overeenstemming met hun computermodellering.

Hun methode hangt af van het coderen van paren van eiwit-aminozuursequenties met de informatie die nodig is om moleculaire assemblage door eiwit-eiwitinterfaces te leiden. De interfaces zorgen niet alleen voor de energetische krachten die het assemblageproces aandrijven, ze oriënteren ook precies de paren eiwitbouwstenen met de geometrie die nodig is om de gewenste kooiachtige symmetrische architecturen op te leveren.

Door dit kooivormige eiwit te maken, zeiden de wetenschappers, kan een eerste stap zijn in de richting van het bouwen van containers op nanoschaal. King zei dat hij uitkijkt naar een tijd waarin moleculen van kankermedicijnen worden verpakt in ontworpen nanokooien en rechtstreeks aan tumorcellen worden afgeleverd. gezonde cellen te sparen.

"Het probleem van vandaag de dag met kankerchemotherapie is dat het elke cel raakt en de patiënt ziek maakt, " zei King. Het verpakken van de medicijnen in aangepaste nanovoertuigen met parkeermogelijkheden die beperkt zijn tot kankerlocaties, zou de bijwerkingen kunnen omzeilen.

De wetenschappers merken op dat het combineren van slechts twee soorten symmetrie-elementen, zoals in deze studie, kan in theorie aanleiding geven tot een reeks symmetrische vormen, zoals kubieke puntgroepen, helices, lagen, en kristallen.

King legde uit dat het immuunsysteem reageert op repetitieve, symmetrische patronen, zoals die op het oppervlak van een virus of ziektebacteriën. Het bouwen van nano-lokvogels kan een manier zijn om het immuunsysteem te trainen om bepaalde soorten ziekteverwekkers aan te vallen.

"Dit concept kan de basis worden voor vaccins op basis van gemanipuleerde nanomaterialen, " zei King. Verder op de weg, hij en Bale verwachten dat deze ontwerpmethoden ook nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor schone energie.

De wetenschappers voegden in hun rapport toe:"De nauwkeurige controle over de interfacegeometrie die door onze methode wordt geboden, maakt het ontwerp mogelijk van tweecomponenten-eiwitnanomaterialen met diverse nanoschaalkenmerken, zoals oppervlakken, poriën, en interne volumes, met hoge nauwkeurigheid."

Ze gingen verder met te zeggen dat de mogelijke combinaties met tweecomponentenmaterialen het aantal en de verscheidenheid aan potentiële nanomaterialen die kunnen worden ontworpen aanzienlijk vergroten.

Het kan mogelijk zijn om nanomaterialen in verschillende maten te produceren, vormen en arrangementen, en ga ook verder met het construeren van steeds complexere materialen uit meer dan twee componenten.

De onderzoekers benadrukten dat het langetermijndoel van dergelijke structuren niet statisch is. De hoop is dat ze de dynamische prestaties van natuurlijk voorkomende eiwitsamenstellingen zullen nabootsen of verder gaan, en dat uiteindelijk nieuwe moleculaire eiwitmachines zouden kunnen worden vervaardigd met programmeerbare functies.

De onderzoekers wezen erop dat hoewel het ontwerpen van eiwitten en op eiwitten gebaseerde nanomaterialen een grote uitdaging is vanwege de relatieve complexiteit van eiwitstructuren en interacties, er zijn nu meer dan een handvol laboratoria over de hele wereld die grote vooruitgang boeken op dit gebied. Elk van de belangrijkste bijdragers heeft belangrijke sterke punten, ze zeiden. De sterke punten van het UW-team liggen in de nauwkeurigheid van de match van de ontworpen eiwitten met de rekenmodellen en de voorspelbaarheid van de resultaten.