Voor de eerste keer, wetenschappers hebben gemaakt, vanaf het begin, zelfassemblerende eiwitfilamenten.

Deze werden opgebouwd uit identieke eiwitsubeenheden die spontaan in elkaar klikken om lange, spiraalvormig, draadachtige structuren.

In de natuurlijke wereld, eiwitfilamenten zijn essentiële componenten van verschillende structurele en bewegende delen in levende cellen, evenals vele lichaamsweefsels.

Deze omvatten de cytoskeletten die cellen hun vorm geven, de cellulaire microtubuli die de celdeling orkestreren, en het meest voorkomende eiwit in ons lichaam, collageen, die zowel kracht als flexibiliteit geeft aan ons kraakbeen, huid en andere weefsels.

"De mogelijkheid om vanaf het begin eiwitfilamenten te maken - of de novo - zal ons helpen de structuur en mechanica van natuurlijk voorkomende eiwitfilamenten beter te begrijpen en zal ons ook in staat stellen geheel nieuwe materialen te maken die in de natuur niet worden gevonden, " zei David Bakker, een professor in de biochemie aan de University of Washington School of Medicine, en directeur van het UW Institute for Protein Design, die het project heeft geleid. Hij is ook een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute.

Dergelijke materialen kunnen kunstmatige vezels bevatten die de sterkte van spinzijde evenaren of overtreffen, die in gewicht sterker is dan staal, zei Bakker. Hij noemde ook de mogelijkheid van draadcircuits op nanoschaal.

Om de filamenten te ontwerpen, gebruikten de onderzoekers een computerprogramma ontwikkeld in het Baker-laboratorium, genaamd Rosetta, die de vorm van een eiwit kan voorspellen op basis van de aminozuurvolgorde.

Om goed te kunnen functioneren, eiwitten moeten in een precieze vorm vouwen. Deze vouwing wordt aangedreven door eigenschappen van de individuele aminozuren en hoe ze interageren met elkaar en de omringende vloeistofomgeving. De aantrekkingskracht en afstoting zorgen ervoor dat het eiwit tot rust komt in een vorm met het laagste energieniveau.

Door te berekenen welke vorm deze krachten van aantrekking en afstoting zou compenseren om het laagste totale energieniveau te verkrijgen, Rosetta kan voorspellen, met een hoge mate van nauwkeurigheid, de vorm die een eiwit in de natuur zal aannemen.

Met behulp van Rosetta, de onderzoekers wilden kleine eiwitten ontwerpen die aminozuren op hun oppervlak hadden waardoor ze aan elkaar zouden vastklampen. Hierdoor konden ze samenkomen in een helix door als treden in een wenteltrap uit te lijnen. Om de helix stabiel te houden, het ontworpen eiwit bindt andere kopieën die erboven en eronder zijn gepositioneerd terwijl de helix ronddraait, laag op laag.

"Uiteindelijk waren we in staat om eiwitten te ontwerpen die als lego's in elkaar zouden klikken, " zei Hao Shen, een doctoraat kandidaat bij het UW Molecular Engineering &Sciences Institute. Hij en Jorge Fallas, een waarnemend docent biochemie aan de UW School of Medicine, zijn hoofdauteurs van een paper waarin de aanpak wordt beschreven.

Dit artikel wordt online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 8 november 2018.

Fallas zei dat de ontworpen eiwitten relatief klein zijn. Ze bestaan ​​uit ongeveer 180 tot 200 aminozuren en zijn slechts ongeveer een nanometer lang, maar assembleren tot stabiele filamenten van meer dan 10, 000 nanometer lang. Een nanometer is 1 miljardste van een meter, of ongeveer de breedte van 10 waterstofatomen naast elkaar.

De onderzoekers toonden ook aan dat, door te sleutelen aan de concentratie van het ontworpen eiwit in oplossing en door doppen toe te voegen die het vermogen van het ontwerp om te binden remden, ze zouden de filamenten kunnen aandrijven om te groeien of te demonteren.

"Het vermogen om de dynamiek van filamentvorming te programmeren, zal ons inzicht geven in hoe filamentmontage en -demontage in de natuur wordt gereguleerd, " zei Baker. "De stabiliteit van deze eiwitten suggereert dat ze zouden kunnen dienen als gemakkelijk aanpasbare steigers voor een reeks toepassingen, variërend van nieuwe diagnostische tests tot nano-elektronica."