Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben eiwitnanobuisjes gemaakt van kleine steigers die zijn gemaakt door verknoping van gemanipuleerde eiwitkristallen. De prestatie zou de ontwikkeling van kunstmatige enzymen kunnen versnellen, dragers en afgiftesystemen van nanoformaat voor tal van biomedische en biotechnologische toepassingen.

Een innovatieve manier voor het assembleren van eiwitten tot goed geordende nanobuisjes is ontwikkeld door een groep onder leiding van Takafumi Ueno van de afdeling Biomoleculaire Engineering van Tokyo Tech.

Op maat gemaakte eiwit-nanostructuren zijn van intens onderzoeksinteresse, omdat ze kunnen worden gebruikt om zeer specifieke en krachtige katalysatoren te ontwikkelen, gerichte toedieningssystemen voor medicijnen en vaccins, en voor het ontwerp van vele andere veelbelovende biomaterialen.

Wetenschappers hebben te maken gehad met uitdagingen bij het construeren van eiwitassemblages in een waterige oplossing vanwege de ongeorganiseerde manieren waarop eiwitten vrijelijk interageren onder variërende omstandigheden zoals pH en temperatuur.

De nieuwe methode, gerapporteerd in het journaal Chemische Wetenschappen , overwint deze problemen door eiwitkristallen te gebruiken, die dienen als een veelbelovende steiger voor eiwitten om zichzelf te assembleren tot gewenste structuren. De methode heeft vier stappen, zoals geïllustreerd in Constructie van nanobuisjes van eiwitkristallen:

• bereiding van een gemanipuleerd eiwit
• vorming van de eiwitkristalsteiger
• vorming van een verknoopt kristal
• afgifte van de eiwitnanobuisjes door de steiger op te lossen.

Het kristalsysteem, samengesteld uit de geordende opstelling van geassembleerde structuren, maakt het gemakkelijk om precieze chemische interacties van belang te regelen door verknoping om de assemblagestructuur te stabiliseren - een prestatie die niet kan worden bereikt door verknoping van eiwitten in oplossing.

De onderzoekers kozen een natuurlijk voorkomend eiwit genaamd RubisCO als bouwsteen voor de constructie van nanobuisjes. Door de hoge stabiliteit, RubisCO kon zijn vorm behouden, en de kristalstructuur van eerder onderzoek had het aanbevolen voor deze studie.

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeldvorming bij de Suzukakedai Biomaterials Analysis Division van Tokyo Tech, het team bevestigde met succes de vorming van de eiwitnanobuisjes.

De studie toonde ook aan dat de eiwitnanobuisjes hun enzymatische vermogen konden behouden.

"Onze verknopingsmethode kan de vorming van de kristalsteiger efficiënt op de gewenste positie (specifieke cysteïneplaatsen) binnen elke buis van het kristal vergemakkelijken, " zegt Ueno. "Op dit moment, sinds meer dan 100, 000 eiwitkristalstructuren zijn gedeponeerd in de eiwitdatabank, onze methode kan worden toegepast op andere eiwitkristallen voor de constructie van supramoleculaire eiwitassemblages, zoals kooien, buizen, lakens."

De nanobuis in deze studie kan voor verschillende toepassingen worden gebruikt. De buis biedt de omgeving voor accumulatie van de exogene moleculen die kunnen worden gebruikt als platforms voor afgifte op farmaceutisch gerelateerde gebieden. De buis kan ook potentieel voor katalyse zijn omdat de eiwitbouwsteen de enzymatische activiteit in de natuur heeft.