Onder de dierentuin van biomoleculen die essentieel zijn voor het leven, eiwitten zijn het meest verrassend gevarieerd en veelzijdig.

Deze complexe structuren, gegenereerd uit de DNA-code en opgebouwd uit zo'n 20 aminozuren spelen een centrale rol in talloze levensprocessen. In de vorm van antistoffen, eiwitten beschermen organismen tegen infectieuze agentia zoals bacteriën en virussen. Als enzymen, eiwitmoleculen versnellen de chemische reacties die nodig zijn om het leven in stand te houden. Eiwitten fungeren ook als boodschappers die ongelijksoortige communicatieactiviteiten tussen cellen coördineren.

Hoewel eiwitten de focus van intensieve studie zijn geweest, onderzoekers moeten nog veel leren over deze raadselachtige moleculen die zichzelf assembleren tot uitgebreide 3D-vormen; vooral hun subtiele rol in gezondheid en ziekte.

In een nieuwe studie, Stuart Lindsay en zijn collega's van de Arizona State University onderzoeken een verrassende eigenschap van eiwitten - een eigenschap die pas onlangs aan het licht is gekomen. In onderzoek dat verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Science (PNAS) , de groep demonstreert elektrische geleiding door eiwitten tussen een paar elektroden.

Ze laten verder zien dat een dergelijke geleiding alleen optreedt onder zeer specifieke omstandigheden, wanneer de contacten die de eiwitmoleculen met hun elektroden verbinden, zijn samengesteld uit precies het molecuul dat het eiwit heeft ontwikkeld om te binden. Dit biedt een recept voor het bedraden van eiwitten in elektrische circuits.

"Als je me 5 jaar geleden had verteld dat eiwitten goede circuitelementen zouden zijn, Ik zou je uitgelachen hebben - dat is belachelijk, " zegt Lindsay. Zijn scepsis echter, maakte al snel plaats voor verrassing:"We ontdekten een paar jaar geleden dat een eiwit dat cellen aan elkaar plakt, zonder bekende elektrische functie, geleid als een mooie draad indien verbonden met elektroden door het kleine stukje eiwit dat het had ontwikkeld om te herkennen. Dit was een groot mysterie voor ons, en de huidige studie was ontworpen om te zien of dit een algemene eigenschap was van een willekeurig geselecteerd eiwit. Het blijkt waar te zijn:alle eiwitten die we hebben geprobeerd, verbonden met elektroden door middel van de specifieke moleculen die ze herkennen, maak bijna perfecte moleculaire draden, hoewel we verre van begrijpen waarom dit is."

Ik zing het lichaam elektrisch

De stroom van elektronen door biologische systemen vormt enkele van de belangrijkste reacties in de natuur, essentieel voor energieomzettingsprocessen, variërend van ademhaling en metabolisme tot fotosynthese. Hoewel de basis wordt begrepen, er zijn geavanceerde methoden nodig om de fijne details eruit te halen en er blijven veel puzzels over.

In de nieuwe studie deden de onderzoekers directe elektronische metingen van enkelvoudige eiwitmoleculen, die traditioneel werden beschouwd als elektrische isolatoren. De metingen zijn gedaan met behulp van een scanning tunneling microscoop, een instrument met een zeer fijne sonde die slechts één molecuul kan aanraken.

Het eerste molecuul van keuze staat bekend als integrine - een alomtegenwoordig eiwit dat cellen gebruiken om hun cytoskelet aan de extracellulaire matrix te hechten. Een integrine die is geëvolueerd om een ​​bepaald klein peptide (klein stukje eiwit) te herkennen, werkte als een sterke geleider, overwegende dat een variant integrine, niet geëvolueerd om dat specifieke peptide te herkennen, werkte als een isolator. Na integrine te hebben geïdentificeerd als een sterke geleider onder de juiste omstandigheden, de groep begon de zoektocht naar andere eiwitten die in staat zijn tot geleiding, met name kijken naar eiwitten die geen bekende rol spelen bij elektronenoverdracht.

In alles, zes eiwitten werden geselecteerd voor de conductantiestudie. Geen van hen was in staat om elektrochemische stroom op te wekken, waardoor elektronische geleiding het enige middel voor elektrische geleiding is. Toen de moleculen in hun oorspronkelijke vorm aan een oppervlak waren vastgemaakt, waterige omgeving, en door middel van moleculen de eiwitten die specifiek worden herkend, elektrische geleidbaarheid waargenomen.

Deze geleidbaarheid was het hoogst wanneer er twee specifieke contacten werden gemaakt, bijvoorbeeld met behulp van een antilichaam dat twee plaatsen heeft om zijn doeleiwit te binden. Toen de antilichamen werden gehalveerd, dus er werd maar één specifiek contact gelegd, de geleidbaarheid daalde dramatisch. Sommige van de antilichaammoleculen die in het onderzoek werden gebruikt, werden ontwikkeld en gesynthetiseerd in het laboratorium van co-auteur Qiang "Shawn" Chen, bij het Biodesign Centrum voor Immunotherapie, Vaccins en Virotherapie, met behulp van snelle en flexibele plantexpressiesystemen.

Het geheime leven van eiwitten

De implicaties van deze resultaten zijn significant omdat ze een grote specificiteit mogelijk maken bij de detectie van afzonderlijke moleculen, en omdat ze een recept bieden voor het bedraden van eiwitten in een elektrisch circuit waar ze kunnen worden gebruikt als gevoelige chemische sensoren. Met behulp van de techniek, individuele antilichamen kunnen elektrisch worden gedetecteerd wanneer ze een peptide-epitoop binden dat aan elektroden is vastgemaakt. Waar geen binding optreedt, het signaal zal nul zijn, zonder elektrische achtergrondlekkage in het circuit, in tegenstelling tot de algemeen gebruikte fluorescentie (ELISA)-assays die last hebben van ongewenste achtergrondsignalen.

Zoals de studie aantoont, het afbreken van een arm van het Y-vormige epitoop veroorzaakte een lager geleidingsniveau door het molecuul, waardoor lagere geleidingspieken ontstaan. As Lindsay explains:"One binding site will do, but the best circuits are made with two specific binding sites. Once you're armed with that knowledge it's like being told how to use a piece of electronic design software to make protein circuits." Lindsay's group is currently working on a variety of systems leveraging this approach.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biology, physics, materiaal kunde, engineering, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."