Eiwitassemblage is essentieel voor de vorming van geordende biologische structuren, maar stel je een engineering voor. Dit is precies wat onderzoekers van Tokyo Tech nu hebben bereikt met eiwitnaalden. Door de tip-to-tip interacties van deze naalden te reguleren, maakten ze hun zelfassemblage mogelijk in roosterstructuren, geordende monomere toestanden en vezelassemblages, wat de weg vrijmaakte voor de gecontroleerde constructie van meer van dergelijke eiwitarchitecturen.

Eiwitten zijn de basisbouwstenen van ons lichaam. Hun moleculaire en macroscopische structuren zijn echter complex en gevarieerd, met meerdere vouwpatronen en substructuren. Wetenschappers proberen deze structuren al geruime tijd te decoderen en er is veel vooruitgang geboekt dankzij fluorescentiemicroscopie (FM), atomic force microscopie (AFM) en high-speed AFM (HS-AFM). Ze zijn echter niet in staat geweest om de dynamische bewegingen van eiwitten tijdens de montage direct te observeren. Dit komt voornamelijk door de ingewikkelde structuur van eiwitten, die te klein zijn om met bestaande technieken te meten.

Een samenwerkend team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Kyushu University, Nagoya University en National Institutes of Natural Sciences heeft nu een gespecialiseerde anisotrope eiwitnaald (PN) ontwikkeld om de assemblage van vergelijkbare anisotrope eiwitten te helpen bepalen, waardoor we aanwijzingen over hun microstructuur en samenstelling.

Prof. Takafumi Ueno van Tokyo Tech, die de studie leidde, legt het uitgangspunt van hun werk uit:"Onze PN is een naaldvormig eiwit dat is samengesteld uit het stijve lichaam (β-helix), de eindkap (foldon) en een binding motief (hexa-histidine-tag, His-tag). Door deze PN's te wijzigen door het His-tag-motief en de opvouwbare dop te verwijderen, kunnen we drie verschillende soorten PN's produceren. Dit stelde ons in staat om verschillende assemblagepatronen te reguleren en te observeren en hoe ze veranderen , wat ons aanwijzingen geeft over de mechanica van verschillende eiwit-eiwitinteracties die we in de natuur vinden." De resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Small.

In oplossing vormen de PN's spontaan een zeer stabiele structuur met een lengte van ongeveer 20 nm en een breedte van ongeveer 3,5 nm, klein genoeg om de rotatiebeweging van individuele moleculen te volgen en toch mechanisch sterk.

Op oppervlakken observeerde het team verschillende soorten geordende structuren terwijl de PN's zelf assembleerden. Deze structuren varieerden van driehoekige roosters en monomere toestanden met nematische volgorde (eendimensionale oriëntatie) tot vezelassemblages (Figuur 1).

Dit stelde het team op zijn beurt in staat om de dynamische processen die betrokken zijn bij eiwitassemblage te onderzoeken door een combinatie van HS-AFM en simulaties (Figuur 2). De resultaten onthulden dat de vorming van de driehoekige roosterstructuur werd geleid door de dynamische bewegingen van PN, die bijdragen aan het vormen van geordende roosters (Figuur 3).

Deze bevindingen hebben de onderzoekers opgewonden, die de mogelijke gevolgen ervan overwegen. "Deze moleculen spelen zo'n cruciale rol in biologische systemen dat het begrijpen van hun structuur het veld aanzienlijk zou bevorderen. We zouden dit bijvoorbeeld kunnen gebruiken om de basis te leggen voor het construeren van supramoleculaire structuren door de dynamische collectieve bewegingen van eiwitten te ontwerpen. Dit concept kan leiden tot de engineering van biocompatibele plaatmaterialen, gerichte medicijntransporten en zelfs op eiwitten gebaseerde nanorobots", zegt prof. Ueno. + Verder verkennen

Coderen van hiërarchische assemblageroutes van eiwitten