Forskare har utvecklat en enkel metod för att göra korta proteinkedjor med spiralstrukturer som även kan lösas upp i vatten, två önskvärda egenskaper som inte ofta finns tillsammans. Sådana strukturer kan ha tillämpningar som byggstenar för självmonterande nanostrukturer och som medel för läkemedels- och genleverans.

Leds av Jianjun Cheng, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois, forskargruppen kommer att publicera sina resultat i den 22 februari upplagan av tidskriften Naturkommunikation .

Materialforskare har varit intresserade av att designa stora polymermolekyler som skulle kunna användas som byggstenar för självmonterande strukturer. Utmaningen har varit att molekylerna i allmänhet antar en globulär, sfärisk form, begränsa deras förmåga att bilda ordnade aggregat. Dock, polypeptider – kedjor av aminosyror som proteiner – kan bilda spiralformade strukturer. Korta polypeptidkedjor som antar en spiralform fungerar som cylindriska stavar.

"Om du har två styva stavar, en positiv och en negativ, bredvid varandra, de kommer att hålla sig till varandra. Om du har ett sätt att lägga laddningen på ytan så kan de packas ihop i ett nära, kompakt sätt, så de bildar en tredimensionell struktur, " sa Cheng.

Dock, det är svårt att göra spiralformade polypeptider som är vattenlösliga så att de kan användas i lösning. Polypeptider får sin löslighet från sidokedjor - molekylära strukturer som härrör från varje aminosyralänk i polypeptidkedjan. Aminosyror med positiva eller negativa laddningar i sina sidokedjor behövs för att göra en polypeptid dispergerad i vatten.

Problemet uppstår när kedjor med laddade sidokedjor bildar spiralformade strukturer. Laddningarna orsakar en stark repulsion mellan sidokedjorna, vilket destabiliserar den spiralformade konformationen. Detta gör att vattenlösliga polypeptider bildar slumpmässiga spiralstrukturer istället för de önskade helixarna.

När vi utforskar lösningar på gåtan med spiralformade, vattenlösliga polypeptider, forskare har prövat flera komplicerade metoder. Till exempel, forskare har försökt ympa mycket vattenlösliga kemikalier till sidokedjorna för att öka polypeptidernas totala löslighet, eller skapa spiraler med laddningar endast på ena sidan.

"Du kan uppnå den spiralformade strukturen och lösligheten men du måste designa den spiralformade strukturen på ett väldigt speciellt sätt. Peptiddesignen behöver en mycket specifik sekvens. Då är du väldigt begränsad i vilken typ av polypeptid du kan bygga, och det är inte lätt att designa eller hantera dessa polypeptider, " sa Cheng.

I kontrast, Chengs grupp utvecklade en mycket enkel lösning. Eftersom laddningarnas närhet orsakar avstötningen som stör helixen, forskarna förlängde helt enkelt sidokedjorna, flytta laddningarna längre från ryggraden och ge dem mer frihet att hålla avstånd från varandra.

Forskarna observerade att när de ökade längden på sidokedjorna med laddningar på änden, polypeptidernas benägenhet att bilda helixar ökade också.

"Det är en så enkel idé – flytta laddningen bort från ryggraden, " sa Cheng. "Det är inte alls svårt att göra de längre sidokedjorna, och den har fantastiska egenskaper för att linda upp spiralformade strukturer helt enkelt genom att trycka på avståndet mellan laddningen och ryggraden."

Gruppen fann att inte bara polypeptider med långa sidokedjor bildar helixar, de uppvisar anmärkningsvärd stabilitet även i jämförelse med icke-laddade spiraler. Helixarna verkar immuna mot temperatur, pH, och andra denaturerande medel som skulle avveckla de flesta polypeptider.

Detta kan förklara varför aminosyror med stora hydrofoba sidokedjor inte finns i naturen. Sådan oföränderlighet skulle utesluta dynamisk lindning och avlindning av proteinstrukturer, som är avgörande för många biologiska processer. Dock, stel stabilitet är en önskvärd egenskap för de typer av tillämpningar som Chengs grupp utforskar:nanostrukturer för läkemedels- och genleverans, särskilt inriktat på cancertumörer och stamceller.

"Vi vill testa korrelationen mellan längderna på spiralerna och cirkulationen i kroppen för att se vad som är effekten av formen och laddningen och sidokedjorna för frigöring i kroppen, "Cheng sa. "Närare studier visar att bildförhållandet mellan nanostrukturerna - sfäriska strukturer kontra rör - har en enorm inverkan på deras penetration av tumörvävnader och cirkulationshalveringstider i kroppen."

Cheng planerar att skapa ett bibliotek av korta spiralformade polypeptider med olika ryggradslängder, sidokedjelängder och laddningstyper. Han hoppas kunna förenkla kemin ytterligare och göra materialen allmänt tillgängliga. Hans labb har redan visat att spiralformade strukturer kan vara effektiva genleverans- och membrantransduktionsmedel, och att bygga biblioteket av lösliga spiralformiga molekyler kommer att möjliggöra ytterligare undersökning av att skräddarsy sådana nanostrukturer för specifika biomedicinska tillämpningar.