Eiwitten zijn ongetwijfeld enkele van de meest fascinerende biomoleculen, en ze vervullen veel van de functies die (in onze ogen) het leven scheiden van levenloze materie. Multimoleculaire eiwitassemblages hebben zelfs grootschalige structurele functies, zoals blijkt uit veren, haar, en schubben bij dieren. Het mag geen verbazing wekken dat, met vooruitgang in geavanceerde nanotechnologie en bio-engineering, kunstmatige eiwitassemblages hebben toepassingen gevonden op verschillende gebieden, inclusief katalyse, moleculaire opslag, en medicijnafgiftesystemen.

Echter, het produceren van geordende eiwitassemblages blijft een uitdaging. Het is bijzonder moeilijk om aan monomeren te komen, de bouwstenen van eiwitten, stabiel in de gewenste structuren te assembleren; dit vereist over het algemeen een zeer nauwkeurig ontwerp en controle van syntheseomstandigheden, zoals pH (zuurgraad) en temperatuur. Recente studies hebben manieren gevonden om dit probleem te omzeilen door eiwitkristallen - vaste moleculaire arrangementen die van nature in sommige organismen voorkomen - te gebruiken als voorlopermatrices om eiwitassemblages te produceren.

Aan het Tokyo Institute of Technology, Japan, een team van wetenschappers onder leiding van professor Takafumi Ueno heeft gewerkt aan een veelbelovende aanpak voor het synthetiseren van eiwitsamenstellingen uit eiwitkristallen. Hun strategie omvat het introduceren van mutaties in de genetische code van een organisme dat van nature eiwitkristallen produceert. Deze mutaties veroorzaken disulfidebindingen (S-S) tussen monomeren op zeer specifieke locaties in de kristallen. De kristallen worden dan opgelost, maar in plaats van zoals gewoonlijk volledig af te breken in hun individuele monomeren, de nieuw geïntroduceerde S-S-bindingen houden groepen monomeren bij elkaar en de kristallen splitsen zich in veel van de gewenste eiwitassemblages. Met deze aanpak, Het team van Ueno is erin geslaagd eiwitkooien en -buizen te synthetiseren door in wezen levende cellen als nano-3D-printers te gebruiken.

In hun laatste onderzoek, die werd gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , het team demonstreerde nog een andere toepassing van hun nieuwe strategie; dit keer voor de synthese van gebundelde eiwitfilamenten. Ze gebruikten een kweek van insectencellen (Spodoptera frugiperda) geïnfecteerd met een virus dat overexpressie veroorzaakte van een monomeer genaamd "TbCatB". Deze monomeren aggregeren van nature in de cellen tot eiwitkristallen, die daar bij elkaar worden gehouden door de relatief zwakke niet-covalente interacties tussen monomeren. De wetenschappers introduceerden strategisch twee mutaties in de cellen, zodat elk monomeer twee thiolgroepen (-SH) van cysteïne had op kritieke interfacepunten met andere monomeren.

De kristallen werden uit de cellen gehaald en bij kamertemperatuur geoxideerd, waardoor de thiolgroepen veranderden in sterke S-S-bindingen tussen monomeren naast elkaar in een enkele richting door auto-oxidatie onder lucht. Toen de kristallen waren opgelost, deze disulfidebindingen, samen met enkele aanhoudende niet-covalente interacties, resulteerde in de vorming van gebundelde eiwitfilamenten die twee monomeren breed waren - ongeveer 8,3 nanometer. "Met onze strategie we hebben een zeer nauwkeurige rangschikking van eiwitmoleculen bereikt terwijl we willekeurige aggregatie van monomeren als gevolg van ongewenste sulfidebindingen onderdrukten, allemaal in een relatief eenvoudig proces in één pot, " benadrukt Ueno.

Algemeen, de aanpak die door het team van Tokyo Tech is gedemonstreerd, staat als een innovatieve manier om eiwitstructuren te synthetiseren via rationele genetische manipulatie en door gebruik te maken van de hulpmiddelen die van nature beschikbaar zijn voor cellen van bepaalde organismen. "We beschouwen onze synthesemethode als een nuttige vooruitgang in de wetenschap van nano-biomaterialen en supramoleculaire chemie voor het produceren van gewenste stabiele assemblages uit eiwitkristallen, " concludeert Ueno. Alleen de tijd zal uitwijzen welke andere bruikbare moleculaire structuren met deze strategie kunnen worden geproduceerd en welke interessante toepassingen ze zullen vinden.