(Phys.org) – En väg för att konstruera proteinnanomaskiner konstruerade för specifika tillämpningar kan vara närmare verkligheten.

Biologiska system producerar en otrolig mängd självmonterande, funktionella proteinverktyg. Några exempel på dessa proteinmaterial i nanoskala är byggnadsställningar för att förankra cellulära aktiviteter, molekylära motorer för att driva fysiologiska händelser, och kapslar för att leverera virus till värdceller.

Forskare inspirerade av dessa sofistikerade molekylära maskiner vill bygga sina egna, med former och funktioner anpassade för att tackla dagens utmaningar.

Förmågan att designa nya proteinnanostrukturer kan ha användbara implikationer i riktad leverans av läkemedel, i vaccinutveckling och inom plasmonik - manipulering av elektromagnetiska signaler för att styra ljusdiffraktion för informationsteknologi, energiproduktion eller annan användning.

En nyligen utvecklad beräkningsmetod kan vara ett viktigt steg mot det målet. Projektet leddes av University of Washingtons Neil King, translationell utredare; Jacob Bale, doktorand i molekylär och cellulär biologi; och William Sheffler i David Bakers laboratorium vid University of Washington Institute for Protein Design, i samarbete med kollegor på UCLA och Janelia Farm.

Arbetet är baserat på Rosetta makromolekylära modelleringspaket som utvecklats av Baker och hans kollegor. Programmet skapades ursprungligen för att förutsäga naturliga proteinstrukturer från aminosyrasekvenser. Forskare i Baker-labbet och runt om i världen använder allt oftare Rosetta för att designa nya proteinstrukturer och sekvenser som syftar till att lösa verkliga problem.

"Proteiner är fantastiska strukturer som kan göra anmärkningsvärda saker, "Kungen sa, "de kan reagera på förändringar i sin miljö. Exponering för en viss metabolit eller en temperaturhöjning, till exempel, kan utlösa en förändring i ett visst proteins form och funktion." Folk kallar ofta proteiner för livets byggstenar.

"Men till skillnad från säga, ett PVC-rör, "Kungen sa, "de är inte bara byggmaterial." De är också byggnadsarbetare (och rivningsarbetare), vilket påskyndar kemiska reaktioner, bryta ner mat, bära meddelanden, interagerar med varandra, och utföra otaliga andra plikter som är avgörande för livet.

Rapportering i 5 juni-numret av Natur , forskarna beskriver utvecklingen och tillämpningen av ny Rosetta-mjukvara som möjliggör design av nya proteinnanomaterial som består av flera kopior av distinkta proteinsubenheter, som ordnar sig i högre ordning, symmetriska arkitekturer.

Med den nya mjukvaran kunde forskarna skapa fem romaner, 24-subunit bur-liknande protein nanomaterial. Viktigt, de faktiska strukturerna, forskarna observerade, var mycket överens med sin datormodellering.

Deras metod beror på att de kodar par av proteinaminosyrasekvenser med den information som behövs för att styra molekylär sammansättning genom protein-proteingränssnitt. Gränssnitten tillhandahåller inte bara de energiska krafterna som driver monteringsprocessen, de orienterar också exakt paren av proteinbyggstenar med den geometri som krävs för att ge de önskade burliknande symmetriska arkitekturerna.

Att skapa detta burformade protein, forskarna sa, kan vara ett första steg mot att bygga containrar i nanoskala. King sa att han ser fram emot en tid då cancerläkemedelsmolekyler kommer att förpackas inuti designade nanocages och levereras direkt till tumörceller, skona friska celler.

"Problemet idag med cancerkemoterapi är att den träffar varje cell och får patienten att må illa, ", sa King. Att förpacka läkemedlen inuti skräddarsydda nanovehicles med parkeringsmöjligheter begränsade till cancerplatser kan kringgå biverkningarna.

Forskarna noterar att man kombinerar bara två typer av symmetrielement, som i denna studie, kan i teorin ge upphov till en rad symmetriska former, såsom kubikpunktsgrupper, spiraler, skikten, och kristaller.

King förklarade att immunsystemet svarar på repetitiva, symmetriska mönster, såsom de på ytan av ett virus eller sjukdomsbakterier. Att bygga nano-lock kan vara ett sätt att träna immunförsvaret att attackera vissa typer av patogener.

"Det här konceptet kan bli grunden för vacciner baserade på konstruerade nanomaterial, " sa King. Längre ner på vägen, han och Bale räknar med att dessa designmetoder också kan vara användbara för att utveckla ny ren energiteknik.

Forskarna lade till i sin rapport, "Den exakta kontrollen över gränssnittsgeometrin som erbjuds av vår metod möjliggör design av tvåkomponentsproteinnanomaterial med olika nanoskalaegenskaper, som ytor, porer, och interna volymer, med hög noggrannhet."

De fortsatte med att säga att de möjliga kombinationerna med tvåkomponentsmaterial avsevärt utökar antalet och variationen av potentiella nanomaterial som kan designas.

Det kan vara möjligt att producera nanomaterial i en mängd olika storlekar, former och arrangemang, och även gå vidare med att konstruera allt mer komplexa material från mer än två komponenter.

Forskarna betonade att det långsiktiga målet med sådana strukturer inte är att vara statiska. Förhoppningen är att de ska efterlikna eller gå utöver den dynamiska prestandan hos naturligt förekommande proteinsammansättningar, och att så småningom nya molekylära proteinmaskiner skulle kunna tillverkas med programmerbara funktioner.

Forskarna påpekade att även om det är mycket utmanande att designa proteiner och proteinbaserade nanomaterial på grund av den relativa komplexiteten hos proteinstrukturer och interaktioner, Det finns nu mer än en handfull laboratorier runt om i världen som gör stora framsteg på detta område. Var och en av de ledande bidragsgivarna har viktiga styrkor, sa de. Styrkan hos UW-teamet ligger i noggrannheten i matchningen av de designade proteinerna till beräkningsmodellerna och förutsägbarheten av resultaten.