Созданы «молекулярные кирпичики» для сборки искусственных материалов

Международный научный коллектив из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU), а также институтов Берлина, Бордо и Нанта разработал гибридный дуэт из искусственного протеина и синтетической молекулы. Полученный комплекс служит прецизионным строительным блоком для сборки сложных макромолекулярных архитектур. В отличие от ранее созданных аналогов, компоненты контактируют через обширную и строго очерченную область, что позволяет безупречно задавать их взаимную ориентацию. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry.

В роли синтетической составляющей выступил фолдамер — искусственный олигомер, способный, подобно природным белкам, самопроизвольно принимать стабильную пространственную 3D-конфигурацию. В рамках данного проекта молекула формирует спиралевидную структуру.

Главная трудность при синтезе белково-полимерных гибридов заключается в нестабильности геометрии: малые молекулы обычно связываются с точечными участками протеина, не обеспечивая жесткой фиксации. Использование же гибких линкеров приводит к избыточной подвижности элементов, что нарушает структурную точность сборки.

Для преодоления этого ограничения ученые сфокусировались на инженерии белковой части. С помощью рибосомного дисплея — высокопроизводительного метода селекции из комбинаторных библиотек — за четыре раунда отбора среди сотен миллиардов кандидатов был идентифицирован вариант C10 на каркасе Nanofitin. Он представляет собой искусственный протеин с молекулярной массой порядка 7 кДа.

Белок C10 проявляет высокую специфичность и исключительное сродство исключительно к правозакрученной P-спирали фолдамера, полностью игнорируя ее левозакрученный M-энантиомер. Площадь зоны контакта превышает 700 Ų и обладает строгой топологией. Архитектура комплекса была детально охарактеризована методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и рентгеноструктурного анализа, а конфигурация более масштабных систем исследована с помощью масс-спектрометрии.

Созданную пару применили в качестве модульного молекулярного конструктора. Модифицируя фолдамер, ученые заставили его удерживать сразу две белковые молекулы на строго заданном удалении. В альтернативном сценарии белковый димер координировал два фолдамера. В процессе кристаллизации такие блоки спонтанно формировали замкнутые кольцевые комплексы и непрерывные зигзагообразные сетки. При этом регулирование длины синтетической молекулы открывает возможность тонкой настройки расстояния и взаимной ориентации белковых субъединиц.

Моделирование кристаллической решетки выявило значительную пористость полученного материала. Наиболее объемные каверны теоретически способны вмещать сферические частицы диаметром до 5 нм — например, нанокластеры или крупные биологические молекулы. Возможность варьировать состав и размерность фолдамера позволяет тонко настраивать геометрию пор и интегрировать в каркас функциональные химические группировки.

Исследователи рассматривают предложенную концепцию как универсальную платформу для синтеза трехмерных пористых материалов из искусственных блоков. Данный подход применим и к нативным белкам: интеграция в их структуру распознающих доменов позволит синтетическим молекулам выступать в роли жестких спейсеров, управляющих пространственной сборкой макромолекулярных комплексов без привлечения сторонних вспомогательных белков.

Источник: iXBT