«Биология обладает удивительной способностью организовывать материю от атомного масштаба до синих китов», – сказал соавтор исследования Харли Пайлс, аспирант Медицинского института дизайна белков Университета штата Вашингтон. «Теперь, используя белковый дизайн, мы можем создавать совершенно новые биомолекулы, которые собираются от атомных до миллиметровых размеров. В этом случае слюда ? кристалл природного происхождения ? действует как большая опорная плита Lego®, на которой мы собираем новые белковые архитектуры."
Дизайн новых молекул, связывающих минералы, был вдохновлен белками, которые взаимодействуют со льдом. В молекулярном масштабе лед плоский и содержит атомарно точный узор из твердых молекул воды.
В природе белки соответствуют этим образцам, чтобы они могли прилипать ко льду.
Команда использовала вычислительный молекулярный дизайн для создания новых белков с индивидуализированными схемами электрического заряда на их поверхностях, как если бы они были наноразмерными блоками Lego®, идеально подобранными к базовой пластине из слюды.
Синтетические гены, кодирующие эти дизайнерские белки, были помещены внутрь бактерий, которые затем массово производили белки в лаборатории.
Исследователи обнаружили, что разные рисунки формируют разные узоры на поверхности слюды.
Изменяя составные части белков, команда смогла создать сотовые решетки, в которых они могли бы в цифровом виде настраивать диаметр пор всего на несколько нанометров, что примерно равно ширине одной двойной спиральной молекулы ДНК.
«Это веха в изучении интерфейсов белок-материал», – сказал Дэвид Бейкер, директор IPD, профессор биохимии Медицинской школы Вашингтонского университета и соавтор исследования. «Мы достигли беспрецедентной степени упорядоченности, создав блоки, которые самостоятельно собираются в выровненные ряды наностержней, точных гексагональных решеток и изысканных нанопроволок размером в одну молекулу."
Исследование стало возможным благодаря использованию атомно-силовой микроскопии, в которой для нанесения на карту молекулярных поверхностей используется крошечная игла, во многом похожая на то, как игла проигрывателя считывает информацию в канавках виниловой пластинки. Результаты АСМ показывают, что архитектура, сформированная белками, контролируется тонким балансом между запланированными взаимодействиями с поверхностью слюды и силами, которые появляются только тогда, когда большое количество белков действует согласованно, как бревна на реке.
«Несмотря на то, что мы разработали конкретные взаимодействия на атомном уровне, мы получаем эти структуры отчасти потому, что белки вытесняются водой и вынуждены собираться вместе», – сказал Джеймс Де Йорео, материаловед из PNNL и содиректор. NW IMPACT, совместное исследование PNNL и UW, направленное на открытие и развитие материалов. "Это было неожиданное поведение и демонстрирует, что нам нужно лучше понять роль воды в упорядочении белков в системах молекулярного масштаба."
Возможность создавать функциональные белковые нити и решетки с нуля также может позволить создавать совершенно новые материалы, в отличие от любых материалов, встречающихся в природе.
Полученные данные могут привести к новым стратегиям синтеза схем из полупроводников и металлических наночастиц для фотоэлектрических приложений или аккумуляторов энергии. Или же, по словам соавтора Шуай Чжана, постдокторского исследователя в PNNL, белковые соты можно использовать в качестве чрезвычайно точных фильтров. «Поры будут достаточно маленькими, чтобы отфильтровать вирусы из питьевой воды или отфильтровать частицы из воздуха», – сказал Чжан.
Дизайн и синтез белков, образующих сотовую решетку, поддерживался Министерством энергетики США, а создание изображений и анализ АСМ – Центром науки синтеза в разных масштабах, исследовательским центром Energy Frontier, поддерживаемым Министерством энергетики. Разработка и синтез белковых наностержней и нанопроволок были поддержаны фондами IPD Research Gift Fund, Michelson Medical Research Foundation и Protein Design Initiative Fund.
Разработка протоколов построения изображений АСМ была поддержана программой Materials Synthesis and Simulations Across Scales, финансируемой изнутри инициативой PNNL.