Eiwitkooien die in microben worden aangetroffen, helpen de inhoud ervan de barre intracellulaire omgeving te doorstaan ​​– een observatie die veel toepassingen in de bio-engineering kent. Onderzoekers van Tokyo Tech hebben onlangs een innovatieve bio-engineeringbenadering ontwikkeld waarbij genetisch gemodificeerde bacteriën worden gebruikt om eiwitkooien rond eiwitkristallen te incorporeren. Deze in-cel biosynthesemethode produceert op efficiënte wijze zeer op maat gemaakte eiwitcomplexen, die toepassingen zouden kunnen vinden als geavanceerde vaste katalysatoren en gefunctionaliseerde nanomaterialen.

In de natuur kunnen eiwitten zich verzamelen om georganiseerde complexen te vormen met talloze vormen en doeleinden. Dankzij de opmerkelijke vooruitgang in de bio-engineering van de afgelopen decennia kunnen wetenschappers nu op maat gemaakte eiwitassemblages produceren voor gespecialiseerde toepassingen. Eiwitkooien kunnen bijvoorbeeld enzymen opsluiten die fungeren als katalysator voor een gerichte chemische reactie. Op dezelfde manier kunnen eiwitkristallen (structuren die zijn samengesteld uit zich herhalende eenheden van eiwitten) dienen als steigers voor het synthetiseren van vaste materialen met blootliggende functionele uiteinden.

Het incorporeren (of "inkapselen") van vreemde eiwitten op het oppervlak van een eiwitkristal is echter een uitdaging. Het synthetiseren van eiwitkristallen die vreemde eiwitassemblages inkapselen was dus ongrijpbaar. Tot nu toe bestaan ​​er geen efficiënte methoden om dit doel te bereiken, en de soorten geproduceerde eiwitkristallen zijn beperkt. Maar wat als bacteriële cellulaire machines het antwoord zouden zijn?

In een recente studie rapporteerde een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology, waaronder professor Takafumi Ueno, een nieuwe in-cell-methode voor het inkapselen van eiwitkooien met diverse functies op eiwitkristallen. Hun artikel, gepubliceerd in Nano Letters , vertegenwoordigt een substantiële doorbraak in de engineering van eiwitkristallen.

De strategie van het team omvat het genetisch modificeren van de Escherichia coli-bacteriën om twee belangrijke bouwstenen te produceren:polyhedrinemonomeer (PhM) en gemodificeerd ferritine (Fr). Aan de ene kant combineren PhM's zich op natuurlijke wijze in cellen om een ​​goed bestudeerd eiwitkristal te vormen, genaamd polyhedra crystal (PhC). Aan de andere kant is het bekend dat 24 Fr-eenheden combineren om een ​​stabiele eiwitkooi te vormen.

"Ferritine is op grote schaal gebruikt als sjabloon voor het construeren van bio-nanomaterialen door de interne en externe oppervlakken ervan te modificeren. Dus als de vorming van een Fr-kooi en de daaropvolgende immobilisatie op PhC gelijktijdig in een enkele cel kunnen worden uitgevoerd, kunnen de toepassingen van in-cel eiwitkristallen als bio-hybride materialen zullen worden uitgebreid", legt prof. Ueno uit.

Om de Fr-kooien in PhC te immobiliseren, hebben de onderzoekers het gen dat voor Fr codeert, aangepast door een α-helix(H1)-tag van PhM op te nemen, waardoor H1-Fr ontstaat. De redenering achter deze aanpak is dat de H1-helixen die van nature aanwezig zijn in PhM-moleculen een significante interactie aangaan met de tags op H1-Fr, en fungeren als "recruteringsmiddelen" die de vreemde eiwitten aan het kristal binden.

Met behulp van geavanceerde microscopie, analytische en chemische technieken verifieerde het onderzoeksteam de geldigheid van hun voorgestelde aanpak. Via verschillende experimenten ontdekten ze dat de resulterende kristallen een kern-schilstructuur hadden, namelijk een kubieke PhC-kern van ongeveer 400 nanometer breed, bedekt met vijf of zes lagen H1-Fr-kooien.

Deze strategie voor de biosynthese van functionele eiwitkristallen is veelbelovend voor toepassingen in de geneeskunde, katalyse en biomateriaaltechniek. "H1-Fr-kooien hebben het potentieel om externe moleculen daarin te immobiliseren voor moleculaire toediening", zegt prof. Ueno.

"Onze resultaten geven aan dat de H1-Fr/PhC kern-schaalstructuren, die H1-Fr-kooien op het buitenoppervlak van de PhC-kern vertonen, individueel kunnen worden gecontroleerd op nanoschaalniveau. Door verschillende functionele moleculen in de PhC-kern en H1 te accumuleren -Fr-kooi, hiërarchische, op nanoschaal gecontroleerde kristallen kunnen worden geconstrueerd voor geavanceerde biotechnologische toepassingen."

Toekomstige werkzaamheden op dit gebied zullen ons helpen het ware potentieel van bio-engineering van eiwitkristallen en -assemblages te realiseren. Met een beetje geluk zullen deze inspanningen de weg vrijmaken voor een gezondere en duurzamere toekomst.

Meer informatie: Thuc Toan Pham et al., Een eiwitkooi weergeven op een eiwitkristal door In-Cell Crystal Engineering, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02117

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology