Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, RIKEN, en het Kyoto Institute of Technology hebben rationeel kristalontwerp toegepast om eiwitkristallen te creëren met een uitgebreid poreus netwerk om exogene moleculen in levende cellen te accumuleren. Dit werk legt een basis voor de engineering van stabiele, zelfassemblerende kristallijne poreuze materialen die bioactieve stoffen in verschillende celtypen kunnen concentreren en bewaren.

In de natuur, eiwitten worden geassembleerd tot geavanceerde en zeer geordende structuren, die hen in staat stellen talrijke functies uit te voeren die verschillende levensvormen ondersteunen. Het voortreffelijke ontwerp van natuurlijke eiwitten zette wetenschappers ertoe aan het in de synthetische biologie te exploiteren om moleculen te construeren die zichzelf kunnen assembleren tot nanodeeltjes met de gewenste structuur en die voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt, zoals gasopslag, enzym katalyse, intracellulaire medicijnafgifte, enzovoort.

Cytoplasmatische polyhedrose-virussen (cypovirussen) die insecten infecteren, zijn ingebed in eiwitkristallen die veelvlakken worden genoemd en die het virus beschermen tegen schade. De structuur van polyedra-kristallen (PhC's) suggereert dat ze kunnen dienen als robuuste containers die vreemde moleculen kunnen opnemen en beschermen tegen afbraak, het waarborgen van hun samenstelling en functionele stabiliteit.

Overzicht van onderzoeksprestaties

Extreme stabiliteit van veelvlakken onder zware omstandigheden wordt geleverd door dichte pakking van polyhedrinemonomeren in kristallen met oplosmiddelkanalen met een zeer lage porositeit, die, echter, beperkt de opname van vreemde deeltjes. Onderzoeksgroep onder leiding van Satoshi Abe en Takafumi Ueno aan het Tokyo Institute of Technology veronderstelde dat als een poreus raamwerk in PhC's wordt uitgebreid zonder de kristalstabiliteit in gevaar te brengen, PhC's kunnen worden gebruikt voor accumulatie en opslag van exogene moleculen in levende cellen. Net als in natuurlijke PhC's, polyhedrinemonomeren vormen een trimeer, de wetenschappers gingen ervan uit dat als aminozuurresten op de contactinterface van elk trimeer worden verwijderd, de porositeit van de resulterende kristallen zou toenemen. Om dit doel te bereiken, ze genetisch gemanipuleerde polyhedrinemonomeren, die vervolgens tot expressie werden gebracht en zelf werden geassembleerd in Spodoptera frugiperda IPLB-Sf21AE, de larve van een legerwormmot, besmet met baculovirus. De mutante PhC's behielden het kristalrooster van het wildtype PhC, maar hadden een significant grotere porositeit (Figuur) vanwege de deletie van aminozuurresiduen met de herschikking van intra- en intermoleculaire waterstofbruggen. Als resultaat, de gemanipuleerde kristallen konden 2-4 keer meer exogene moleculen (fluorescerende kleurstoffen) adsorberen in vergelijking met het wildtype PhC, met maximaal 5, 000-voudige condensatie van de kleurstoffen uit de 10 uM-oplossing.

Als volgende stap, de wetenschappers onderzochten de prestaties van de gemuteerde kristallen in levende insectencellen. PhC's vertoonden een hoge stabiliteit in de intracellulaire omgeving. Het belangrijkste is, de gemuteerde kristallen kunnen zich ophopen en de kleurstoffen in levende cellen vasthouden, terwijl de natuurlijke kristallen dat niet konden.

Rationeel kristalontwerp dat wordt gebruikt door wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology biedt een krachtig hulpmiddel voor structurele manipulatie van zelf-geassembleerde eiwitkristallen om poreuze nanomaterialen met gereguleerde adsorptie-eigenschappen te verkrijgen. De geconstrueerde poreuze PhC's kunnen worden gebruikt als eiwitcontainers voor in vivo kristalstructuuranalyse van de cellulaire moleculen en bioorthogonale chemie in verschillende soorten levende cellen.

Structurele analyse van microkristallen

Omdat er kleine kristallen met een grootte van slechts enkele microns werden verkregen, de structuuranalyses werden uitgevoerd bij bundellijnen BL32XU en BL41XU bij SPring-8, een grote synchrotronstralingsfaciliteit die de krachtigste synchrotronstraling levert. De structuren met hoge resolutie werden snel geanalyseerd met behulp van een geautomatiseerd gegevensverzamelingssysteem ontwikkeld in RIKEN.