Однако структура ДНК очень проста, и ей не хватает разнообразия белков, которые составляют большинство естественных клеток, таких как вирусы. К сожалению, очень сложно контролировать сборку белков с точностью ДНК.
То есть до недавнего времени. Николас Стефанопулос – доцент Центра биодизайна молекулярного дизайна и биомиметики Университета штата Аризона и Школы молекулярных наук – и его команда построили клетку, состоящую из строительных блоков как белка, так и ДНК, с помощью ковалентных конъюгатов белок-ДНК.
В статье, опубликованной в ACS Nano, Стефанопулос модифицировал гомотримерный белок (природный фермент, называемый альдолазой KDPG) тремя идентичными однонитевыми маркерами ДНК, функционализировав реактивный остаток цистеина, который они ввели на поверхность белка. Этот белок-ДНК «Лего» был собран вместе с треугольной структурой ДНК, несущей три дополнительных плеча к ручкам, в результате чего образовались тетраэдрические клетки, состоящие из шести сторон ДНК, закрытых тримером белка.
Размеры клетки можно было настроить с помощью количества витков на плечо ДНК, а гибридные структуры были очищены и охарактеризованы для подтверждения трехмерной структуры.
Клетки также были модифицированы ДНК с использованием клик-химии, которая представляет собой индивидуальный тип химии, для быстрого и надежного создания элементов, соединяющих микроскопические единицы вместе, демонстрируя универсальность метода.
«Подход моей лаборатории позволит конструировать наноматериалы, которые обладают преимуществами как белковых, так и ДНК-нанотехнологий, и найдут применение в таких областях, как адресная доставка, структурная биология, биомедицина и каталитические материалы», – сказал Стефанопулос.
Стефанопулос и его команда видят возможность в гибридных клетках – слиянии самособирающихся белковых строительных блоков с синтетическим каркасом ДНК – которые могут сочетать биоактивность и химическое разнообразие первых с возможностью программирования вторых. И это то, что они намеревались создать – гибридную структуру, созданную путем химической конъюгации олигонуклеотидов (синтетической цепи ДНК) с белками, составляющими строительный блок.
Треугольное основание с тремя комплементарными одноцепочечными маркерами ДНК самоорганизуется и очищается отдельно путем нагревания для изменения его свойств.
«Мы рассудили, что, создав эти два очищенных строительных блока, они будут самопроизвольно соединяться вместе программируемым образом, используя свойства распознавания маркеров ДНК», – сказал Стефанопулос. «Было особенно важно использовать высокотермостойкий белок, такой как эта альдолаза, потому что эта самосборка работает только при 55 градусах Цельсия, и многие белки распадаются при этих температурах."
Еще одно преимущество ДНК, которое невозможно с белками, – это настройка размера клетки без изменения конструкции всех компонентов. Стефанопулос продолжил: «Размер этой сборки затем можно было бы рационально настроить, изменив длину каждого края ДНК, в то время как белок обеспечил бы каркас для прикрепления небольших молекул, нацеливающих пептидов или даже слитых белков."
Хотя существуют и другие примеры гибридных структур, эта конкретная клетка является первой, построенной путем химического конъюгации олигонуклеотидных ручек на строительном блоке белка. В принципе, эту стратегию можно распространить на широкий спектр белков (например, некоторые из них могут воздействовать на рак).
Таким образом, работа Стефанопулоса может открыть целую новую гибридную область нанотехнологий белок-ДНК с приложениями, которые невозможны ни с белками, ни с одной только ДНК.