De oude kunst van het vouwen van papier, bekend als origami, wordt gebruikt om ingewikkelde vogels of andere vormen te maken. Geïnspireerd door het werk van DNA-origami, waarin nanostructuren worden gemaakt van vouwend DNA, een team van ingenieurs van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis heeft een nieuwe manier gevonden om nanostructuren van enkelvoudige ketens te creëren met behulp van synthetische biologie en eiwitassemblagetechnieken.

Het team creëerde nanostructuren - in de vorm van driehoeken en vierkanten - met behulp van stabiele eiwitbouwstenen. Deze eiwit-nanostructuren kunnen hoge temperaturen en zware chemische omstandigheden doorstaan, beide zijn niet mogelijk met op DNA gebaseerde nanostructuren. In de toekomst, deze eiwit-nanostructuren kunnen worden gebruikt om de waarnemingsmogelijkheden te verbeteren, het versnellen van chemische reacties, in medicijnafgifte en andere toepassingen.

Bij het proberen om eiwitnanostructuren te maken die geschikt zijn voor bepaalde toepassingen, onderzoekers brengen doorgaans wijzigingen aan in bestaande eiwitstructuren, zoals virusdeeltjes. Echter, de vormen van nanostructuren die met deze benadering kunnen worden gemaakt, zijn beperkt tot wat de natuur biedt. Nutsvoorzieningen, Fuzhong Zhang, universitair hoofddocent energie, milieu- en chemische technologie, en leden van zijn lab hebben een bottom-up benadering ontwikkeld om 2D nanostructuren te bouwen, eigenlijk vanaf nul beginnen.

"Het is spannender om iets te bouwen dat de natuur niet heeft aangeboden, " zei Zhang. "We namen individueel gevouwen eiwitten en gebruikten ze als bouwstenen, hebben ze vervolgens stuk voor stuk samengevoegd, zodat we nanostructuren op maat kunnen maken."

De resultaten van het werk zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie 25 juli.

Met behulp van synthetische biologie benaderingen, Zhang's team eerste gebiosynthetiseerde staafvormige eiwitbouwstenen, vergelijkbaar in vorm met een potlood, maar slechts 12 nanometer lang.

Vervolgens, ze verbonden deze bouwstenen met elkaar via reactieve eiwitdomeinen die genetisch waren gefuseerd aan de uiteinden van elk van de staven, driehoeken vormen met drie staven en vierkanten met vier staven. Deze reactieve eiwitdomeinen staan ​​bekend als gespleten inteïnen, die niet nieuw zijn in het laboratorium van Zhang - het zijn dezelfde gereedschappen die zijn groep gebruikt om hoogwaardig synthetisch spinrag en synthetische replica's van de klevende mosselvoetproteïnen te maken.

In beide gevallen, deze gesplitste inteïnegroepen maken de productie van grote eiwitten mogelijk die de synthetische spinrag taaier en sterker maken en de mosselvoeteiwitten plakkeriger. In dit geval, ze maken de constructie van nieuwe nanostructuren mogelijk.

Zhangs team werkte samen met Rohit Pappu, de Edwin H. Murty hoogleraar techniek, hoogleraar biomedische technologie en expert in de biofysica van intrinsiek ongeordende eiwitten, faseovergangen en eiwitvouwing. Zowel Zhang als Pappu zijn lid van het Centre for Science &Engineering of Living Systems (CSELS) van de universiteit.

"Professor Pappu's laboratorium, specifiek voormalig postdoctoraal fellow Jeong-Mo Choi, heeft ons geholpen te begrijpen hoe de eiwitsequentie bij de verbindingen de flexibiliteit van deze nanostructuren bepaalt en hielp ons om eiwitsequenties te voorspellen om de flexibiliteit en geometrie van nanostructuren beter te beheersen, "Zei Zhang. "De samenwerking tussen mijn laboratorium voor synthetische biologie en het laboratorium voor biofysische modellering van professor Pappu is zeer productief gebleken."

De samenwerking vereenvoudigde een zeer complex proces.

"Toen we de ontwerpstrategie eenmaal begrepen, het werk is vrij eenvoudig en best leuk om te doen, " zei Zhang. "We hebben net de verschillende functionele groepen gecontroleerd, toen beheersten ze de vormen."

Door de veelzijdige functionaliteit van eiwitten, deze nanostructuren kunnen mogelijk worden gebruikt als steigers om verschillende nanomaterialen te assembleren. Om dit idee te testen, het team assembleerde gouden nanodeeltjes van 1 nanometer precies op de hoekpunten van de driehoek. Met behulp van een ultramoderne elektronenmicroscoop in het Institute of Materials Science &Engineering van de universiteit, zowel de eiwitdriehoeken als de gouden nanodeeltjes die op de hoekpunten van de driehoeken waren geassembleerd, waren zichtbaar.

Om de stabiliteit van deze eiwitnanostructuren te testen, het team stelde ze bloot aan hoge temperaturen, tot 98 graden Celsius, aan chemicaliën zoals guanidiumhydrochloride, en op organische oplosmiddelen zoals aceton. Hoewel deze omstandigheden over het algemeen eiwitstructuren vernietigen, de structuren van het lab van Zhang bleven intact. Deze ultrastabiliteit zou meer toepassingen op nanoschaal mogelijk maken die moeilijk of niet mogelijk zijn met nanostructuren gemaakt van DNA of andere eiwitten, zei Zhang.

Volgende, het team werkt samen met Srikanth Singamaneni, hoogleraar werktuigbouwkunde &materiaalkunde en lid van CSELS, om deze eiwit-nanostructuren te gebruiken om verbeterde plasmonische sensoren te ontwikkelen.

"Het benutten van het samenspel tussen zeer stabiele structurele bouwstenen en intrinsiek ongeordende of flexibele regio's biedt een nieuwe route naar het ontwerpen van nanostructuren met aanpasbare functies voor een verscheidenheid aan toepassingen in synthetische biologie en biomedische wetenschappen, "Zei Pappu. "Dit is een van de belangrijkste drijfveren van ons centrum, zoals blijkt uit de synergieën tussen drie verschillende laboratoria die deel uitmaken van het centrum."