Het doel van het onderzoek, gepubliceerd op 11 juli in het tijdschrift Natuur , was om kunstmatige eiwitten te manipuleren om zichzelf op een kristaloppervlak te assembleren door een exacte overeenkomst te creëren tussen het patroon van aminozuren in het eiwit en de atomen van het kristal. De mogelijkheid om deze interacties te programmeren zou het ontwerp van nieuwe biomimetische materialen met aangepaste kleuren mogelijk maken, chemische reactiviteit of mechanische eigenschappen, of om als steiger te dienen voor filters op nanoschaal, zonnecellen of elektronische circuits.

"Biologie heeft een verbazingwekkend vermogen om materie te ordenen, van de atomaire schaal tot aan blauwe vinvissen, " zei co-eerste auteur Harley Pyles, een afgestudeerde student aan het UW Medicine's Institute for Protein Design. "Nutsvoorzieningen, met behulp van eiwitontwerp, we kunnen gloednieuwe biomoleculen maken die zich assembleren van atomaire tot millimeter-lengteschalen. In dit geval, mica - een natuurlijk voorkomend kristal - gedraagt ​​zich als een grote Lego-grondplaat waarop we nieuwe eiwitarchitecturen assembleren."

Het ontwerp van de nieuwe mineraalbindende moleculen is geïnspireerd op eiwitten die interageren met ijs. Op moleculaire schaal, ijs is plat en bevat een atomair nauwkeurig patroon van starre watermoleculen. In de natuur, eiwitten passen bij deze patronen zodat ze aan het ijs kunnen blijven plakken.

Het team gebruikte computationeel moleculair ontwerp om nieuwe eiwitten te ontwikkelen met aangepaste patronen van elektrische lading op hun oppervlakken, alsof het Lego-blokken van nano-formaat zijn die perfect zijn afgestemd op de mica-basisplaat. Synthetische genen die coderen voor deze designer-eiwitten werden in bacteriën geplaatst, die vervolgens de eiwitten in het laboratorium massaal produceerden.

De onderzoekers ontdekten dat verschillende ontwerpen verschillende patronen op het mica-oppervlak vormden. Door delen van de eiwitten opnieuw te ontwerpen, het team was in staat om honingraatroosters te maken waarin ze de diameters van de poriën digitaal konden afstemmen met slechts enkele nanometers, wat ongeveer de breedte is van een enkel DNA-dubbelhelixmolecuul.

"Dit is een mijlpaal in de studie van eiwit-materiaalinterfaces, " zei David Bakker, directeur van de IPD, een professor in de biochemie aan de University of Washington School of Medicine en co-senior auteur van het onderzoek. "We hebben een ongekende mate van orde bereikt door eenheden te ontwerpen die zichzelf assembleren tot uitgelijnde rijen nanostaafjes, precieze hexagonale roosters en prachtige nanodraden met een enkel molecuul."

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door het gebruik van atoomkrachtmicroscopie, die een kleine naald gebruikt om moleculaire oppervlakken in kaart te brengen, net zoals de naald van een platenspeler informatie leest in de groeven van een vinylplaat. De AFM-resultaten laten zien dat de architecturen die door de eiwitten worden gevormd, worden gecontroleerd door een subtiele balans tussen de ontworpen interacties met het mica-oppervlak en krachten die alleen optreden wanneer grote aantallen eiwitten samenwerken, als boomstammen op een rivier.

"Hoewel we specifieke interacties op atomair niveau hebben ontworpen, we krijgen deze structuren, gedeeltelijk, omdat de eiwitten door het water worden verdrongen en gedwongen worden samen te pakken, " zei James De Yoreo, materiaalwetenschapper bij PNNL en mededirecteur van NW IMPACT, een gezamenlijke onderzoeksinspanning tussen PNNL en de UW om ontdekkingen en vooruitgang in materialen te stimuleren. "Dit was onverwacht gedrag en toont aan dat we de rol van water bij het bestellen van eiwitten in systemen op moleculaire schaal beter moeten begrijpen."

Door vanaf het begin functionele eiwitfilamenten en -roosters te kunnen maken, kunnen ook geheel nieuwe materialen worden gemaakt, anders dan in de natuur. De bevindingen kunnen leiden tot nieuwe strategieën voor het synthetiseren van halfgeleider- en metalen nanodeeltjescircuits voor fotovoltaïsche of energieopslagtoepassingen. Of anders, de eiwithoningraten kunnen worden gebruikt als uiterst nauwkeurige filters, volgens co-eerste auteur Shuai Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij PNNL. "De poriën zouden klein genoeg zijn om virussen uit drinkwater te filteren of deeltjes uit de lucht te filteren, " zei Zhang.

Design and synthesis of honeycomb-lattice forming proteins was supported by DOE's Office of Science, and AFM imaging and analysis was supported by The Center for the Science of Synthesis Across Scales, a DOE-supported Energy Frontier Research Center. Protein nanorod and nanowire design and synthesis were supported by the IPD Research Gift Fund, Michelson Medical Research Foundation, and Protein Design Initiative Fund. Development of AFM imaging protocols was supported by Materials Synthesis and Simulations Across Scales, an internally funded initiative at PNNL.

Researchers have created synthetic proteins, shown in orange, that form honeycomb-like structures on the atomic surface of mica, shown here as tan spheres.