Учёные создали «молекулярные детали», из которых можно собирать искусственные материалы
Искусственный белок и спиральная молекула-фолдамер образуют прочную и точно заданную пару: из неё уже собрали кольцевые структуры и бесконечные молекулярные цепочки
Учёные из Университета Людвига и Максимилиана в Мюнхене (LMU) и их коллеги из Берлина, Бордо и Нанта разработали пару из искусственного белка и синтетической молекулы, которую можно использовать как точно заданный строительный блок для более крупных молекулярных конструкций. В отличие от многих предыдущих белково-синтетических комплексов, две компоненты соединяются по большой и чётко определённой поверхности, поэтому их взаимное положение можно контролировать. Результаты опубликованы в Nature Chemistry.
В качестве синтетического компонента команда использовала фолдамер — искусственную молекулу, которая, подобно белку, самопроизвольно сворачивается в устойчивую трёхмерную форму. В данном случае она образует спираль.
Проблема при создании гибридных материалов из белков и синтетических молекул заключается в том, что небольшие молекулы обычно цепляются за отдельные участки белка, но не задают точное положение всей конструкции. Гибкие соединители позволяют связать компоненты, однако при этом они могут свободно двигаться и снижают точность сборки.
Чтобы получить более подходящую пару, исследователи пошли от искусственного белка, а не от небольшой молекулы. Они использовали рибосомный дисплей — биохимический метод отбора нужных белков из огромной библиотеки вариантов. После 4 раундов отбора из сотен миллиардов возможных вариантов был найден вариант C10 белкового каркаса Nanofitin. Это искусственный белок массой около 7 кДа (килодальтон — единица молекулярной массы белков).
Изображение сгенерировано: Nano Banana
C10 избирательно связывается с правозакрученной P-спиралью фолдамера и делает это с высокой прочностью, тогда как с левозакрученной M-спиралью связывания не обнаружили. Площадь контакта между двумя компонентами превышает 700 квадратных ангстрем, а сама поверхность контакта имеет определённую геометрию. Структуру комплекса изучили с помощью ядерного магнитного резонанса, рентгеновской кристаллографии и других методов, а более крупных комплексов — с помощью масс-спектрометрии.
Получившуюся пару затем использовали как «молекулярный конструктор». Фолдамер можно было задать так, чтобы он одновременно связывал 2 белка и удерживал их на заданном расстоянии друг от друга. В обратной конфигурации димер белков (комплекс из 2 белковых молекул) связывал 2 фолдамера. В кристаллах такие блоки самостоятельно формировали кольцевые структуры и бесконечные зигзагообразные сети. Изменяя длину фолдамера, можно управлять расстоянием и пространственной ориентацией связанных белков.
Компьютерный анализ кристаллической решётки показал, что получившаяся структура обладает высокой пористостью. Самые крупные полости теоретически способны вместить сферические объекты диаметром около 5 нм, например наночастицы или крупные молекулы. При этом химический состав и длину фолдамера можно регулировать, что даёт возможность варьировать геометрию будущих конструкций и добавлять в них дополнительные функциональные группы.
Авторы рассматривают такую систему как основу для создания пористых трёхмерных материалов из искусственных молекулярных блоков. Тот же принцип потенциально можно применить и к природным белкам: если добавить к ним участки, распознающие фолдамеры, то синтетические молекулы смогут соединять белки между собой или удерживать их на заданном расстоянии. Это создаёт способ управлять пространственной организацией белковых комплексов без использования других белков в качестве соединительных элементов.