Wissenschaftler Design selbstorganisierender Proteinnanomaschinen

Ein Weg für den Bau von Proteinnanomaschinenfür spezielle Anwendungen entwickelt, kann näher an der Realität sein .

Biologische Systeme erzeugen eine unglaubliche Vielfalt an Selbstorganisation , funktionelles Protein -Tools. Einige Beispiele für diese nanoskaligen Proteinmaterialien sind Gerüsten Zellaktivitäten , molekulare Motoren auf physiologische Ereignisse anzutreiben, und Kapseln zur Abgabe Viren in Wirtszellen zu verankern.

Wissenschaftler inspiriert von diesen ausgeklügelten molekularen Maschinen wollen , um ihre eigenen zu bauen, mit Formen und Funktionen speziell auf moderne Herausforderungen zu bewältigen.

Die Fähigkeit, neue Protein- Strukturen bieten könnte nützliche Auswirkungen auf die gezielte Abgabe von Arzneimitteln , in der Impfstoffentwicklung und in Plasmonics haben - Manipulieren elektromagnetische Signale zu Lichtbeugung für Informationstechnologie, Energieerzeugung oder anderen Verwendungszwecken zu führen.

Eine kürzlich entwickelte Rechenverfahren kann ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels sein . Das Projekt wurde von der University of Washington Neil King, translationale Forscher geführt hat; Jacob Bale, Doktorand in der Molekular- und Zellbiologie ; und William Sheffler in David Baker Labor an der Universität von Washington Institut für Protein Design , in Zusammenarbeit mit Kollegen an der UCLA und Janelia Farm .


Dies ist ein Computer-Modell eines erfolgreich entwickelte Zwei-Komponenten -Protein Nanokäfig mit Tetraedersymmetrie .
Bildnachweis: Dr. Vikram Mulligan

Die Arbeit ist in der Rosetta makromolekularen Modellpaketvon Baker und seine Kollegen entwickelt wurde. Das Programm wurde ursprünglich entwickelt, um natürliche Proteinstrukturen aus Aminosäuresequenzen vorherzusagen. Forscher in der Baker Labor und auf der ganzen Welt sind zunehmend mit Rosetta auf neue Proteinstrukturen und Abläufe bei der Lösung realer Probleme gerichtet entwerfen.

"Proteine ​​sind erstaunliche Strukturen, die bemerkenswerte Dinge tun können ", sagte King , " sie zu Veränderungen in ihrer Umwelt zu reagieren. Die Exposition gegenüber einem bestimmten Metaboliten oder einem Temperaturanstieg , zum Beispiel kann eine Änderung in Form und Funktion eines bestimmten Proteins auslösen . " Oft rufen Proteine ​​, die Bausteine ​​des Lebens.

" Aber im Gegensatz zu , sagen wir, ein PVC-Rohr ", sagte King , "sie sind nicht nur Baumaterial. " Sie sind auch Aufbau ( und Abbruch ) Arbeitnehmer - Beschleunigung chemischer Reaktionen den Abbau von Nahrung , Trage Nachrichten , die miteinander interagieren , und die Durchführung unzählige andere Aufgaben lebenswichtig .

Berichterstattung in der Zeitschrift Nature , die Forscher beschreiben die Entwicklung und Anwendung neuer Rosetta Software für die Gestaltung der neuen Proteinnanomaterialienmehrerer Kopien von verschiedenen Protein-Untereinheiten , die sich in höherer Ordnung , symmetrische Architekturen vereinbaren zusammen.

Mit der neuen Software konnten die Wissenschaftler um fünf neue , 24- Untereinheit käfigartige Proteinnanomaterialienerstellen. Wichtig ist, dass die tatsächlichen Strukturen , die Forscher festgestellt , waren in sehr enger Abstimmung mit ihren Computermodellen .

Ihre Methode ist abhängig von Paaren von Protein- Aminosäure- Sequenzen, die mit der erforderlichen Informationen, um molekulare Anordnung durch Protein-Protein- Grenzflächen zu lenken. Die Schnittstellen bieten nicht nur die energetischen Kräfte, die den Montageprozess zu fahren , sondern auch genau orientieren die Paare von Eiweißbausteinen mit der erforderlich ist, um die gewünschten käfigartige symmetrische Architekturen ergeben Geometrie .

Die Erstellung dieser käfigförmige Protein , die Wissenschaftler gesagt , kann ein erster Schritt zum Aufbau nanoskaliger Container sein . König sagte, er freut sich auf eine Zeit, in der Krebs - Wirkstoff-Moleküle werden innerhalb von Nanokäfige ausgelegt verpackt und direkt geliefert werden Tumor Zellen , Schonung gesunden Zellen .

"Das Problem heute mit Krebs Chemotherapie ist, dass es trifft jede Zelle und macht der Patient fühle mich krank ", sagte King . Verpackung der Medikamente innerhalb angepasst nanovehicles mit Parkmöglichkeiten zur Krebsarten beschränkt könnten die Nebenwirkungen umgehen.

Die Wissenschaftler beachten , dass die Kombination von nur zwei Arten von Symmetrieelemente , wie in dieser Studie können in der Theorie führen zu einer Reihe von symmetrischen Formen, beispielsweise eine kubische Punktgruppen , Wendeln , Schichten und Kristallen.

König erklärte, dass das Immunsystem reagiert auf sich wiederholenden , symmetrische Muster , wie sie auf der Oberfläche eines Virus oder Krankheit Bakterien. Aufbauend Nano Köder kann ein Weg zu trainieren das Immunsystem auf bestimmte Arten von Krankheitserregern angegriffen .

" Dieses Konzept kann die Grundlage für Impfstoffe auf Basis von Nanomaterialien werden", sagte König . Weiter die Straße hinunter , und er Bale erwarten, dass diese Design-Methoden können auch nützlich für die Entwicklung neuer Technologien für saubere Energie zu sein .

Die Wissenschaftler in ihrem Bericht fügte hinzu: " Die präzise Steuerung der Schnittgeometriedurch unser Verfahren angeboten ermöglicht den Aufbau von Zweikomponenten- Proteinnanomaterialienmit verschiedenen Nanostrukturen , wie beispielsweise Oberflächen , die Poren und Innenvolumina , mit hoher Genauigkeit. "

Sie fuhr fort zu sagen , dass die Kombinationen mit Zweikomponentenmaterialien möglich die Anzahl und Vielfalt der potenziellen Nanomaterialien, die entwickelt werden könnten, stark erweitern .

Es kann möglich sein , um Nanomaterialien in einer Vielzahl von Größen , Formen und Anordnungen zu produzieren , und auch dem Weg zu konstruieren immer komplexer Materialien aus mehr als zwei Komponenten .

Die Forscher betont , dass das langfristige Ziel, solche Strukturen nicht statisch sein . Die Hoffnung ist, dass sie imitieren oder gehen über das dynamische Verhalten des natürlich vorkommenden Proteins Baugruppen, und dass schließlich neue molekulare Proteinmaschinenkonnte mit programmierbaren Funktionen hergestellt werden.

Die Wissenschaftler wiesen darauf hin , dass, obwohl der Gestaltung Proteine ​​und Nanomaterialien auf Proteinbasis ist sehr anspruchsvoll aufgrund der relativen Komplexität der Proteinstrukturen und Wechselwirkungen , gibt es jetzt mehr als eine Handvoll Labors auf der ganzen Welt machen große Fortschritte in diesem Bereich. Jedes der führenden Mitwirkenden haben Stärken , sagten sie. Die Stärken des UW -Team ist in der Genauigkeit der Übereinstimmung der entworfenen Proteine ​​an die Rechenmodelle und die Vorhersagbarkeit der Ergebnisse.