För att montera nya biomolekylära maskiner, individuella proteinmolekyler måste installeras på deras arbetsplats med nanometerprecision. Forskare vid Ludwig Maximilian University har nu hittat ett sätt att göra just det. Grönt ljus på proteinsammansättning.
Den finslipade spetsen på atomkraftmikroskopet (AFM) gör att man kan plocka upp enskilda biomolekyler och deponera dem någon annanstans med nanometers noggrannhet. Tekniken kallas Single-Molecule Cut &Paste (SMC&P), och utvecklades av forskargruppen ledd av LMU-fysikern professor Hermann Gaub. I sin ursprungliga form, det var bara tillämpligt på DNA-molekyler. Dock, de molekylära maskiner som ansvarar för många av de biokemiska processerna i celler består av proteiner, och kontrollerad montering av sådana anordningar är ett av de viktigaste målen för nanoteknik. En praktisk metod för att göra det skulle inte bara ge nya insikter om hur levande celler fungerar, men skulle också ge ett sätt att utvecklas, konstruera och använda designade nanomaskiner.
I ett stort steg mot detta mål, LMU-teamet har modifierat metoden så att de kan ta proteiner från en lagringsplats och placera dem på definierade platser inom ett byggområde med nanometerprecision. "I flytande medium vid rumstemperatur, "väderförhållandena" på nanoskala är jämförbara med dem i en orkan, säger Mathias Strackharn, första författaren till den nya studien. Därav, molekylerna som manipuleras måste vara ordentligt fästa vid spetsen av AFM och hållas säkert på plats i byggområdet.
Trafiksignaler bevisar effektiviteten
Krafterna som binder proteinerna under transport och montering måste också vara tillräckligt svaga för att inte orsaka skada, och måste kontrolleras hårt. För att uppnå dessa två mål, forskarna använde en kombination av antikroppar, DNA-bindande "zinkfinger"-proteiner, och DNA-ankare. "Vi visade metodens genomförbarhet genom att sammanföra hundratals fluorescerande GFP-molekyler för att bilda en liten grön man, som trafikljusfiguren som signalerar till fotgängare att korsa vägen, men bara några mikrometer hög, " förklarar Strackharn.
Med denna teknik, funktionella aspekter av komplexa proteinmaskiner - som hur kombinationer av olika enzymer interagerar, och hur nära varandra de måste vara för att utföra kopplade reaktioner - kan testas direkt. Ett ytterligare mål är att utveckla artificiella multimolekylära sammansättningar som modelleras på naturliga "cellulosomer", som skulle kunna användas för att omvandla växtbiomassa till biobränslen. Strackharn påpekar implikationerna:"Om vi effektivt kan bygga efterlikningar av dessa 'enzymatiska monteringslinjer' genom att föra samman enskilda proteiner, vi kanske skulle kunna ge ett betydande bidrag till utnyttjandet av hållbara energikällor."
