I den naturliga världen, proteiner använder processen för biomineralisering för att införliva metalliska element i vävnader, använda den för att skapa olika material som snäckskal, tänder, och ben. Dock, hur proteiner faktiskt gör detta är inte väl förstått.

Nu, i forskning publicerad i Angewandte Chemie International Edition , forskare från gruppen Kam Zhang vid RIKEN Center for Life Science Technologies (CLST) och gruppen av Jeremy Tame vid Yokohama City University i Japan har använt ett artificiellt designat protein för att skapa en kadmiumklorid nanokristall – den minsta kristallen som hittills rapporterats, består av bara 19 atomer – placerade mellan två kopior av proteinet.

Under 2014, grupperna tillkännagav utvecklingen av ett artificiellt protein, heter Pizza6, som ser mycket ut som en pizza skuren i sex identiska skivor. Gruppernas mål var att designa nya proteiner – som inte finns i naturen – som kan användas på en mängd olika sätt. Proteiner som pizza, med sin höga grad av symmetri, inte existerar naturligt, men eftersom de kan skapas på konstgjord väg, är attraktiva byggnadsställningar för skapandet av nya hybridbiomaterial lämpade för en mängd olika ändamål såsom läkemedelsförpackning och leverans till celler, eller till och med biosanering av farliga metaller i miljön.

I den aktuella forskningen, Pizzaproteinet modifierades genom att införa ett metallbindningsställe. Enligt första författaren Arnout Voet, som utförde arbetet med att designa och bygga proteinerna, "Vår inledande drivkraft var att designa metallbindningsställen för att kontrollera själva sammansättningen　av våra designade symmetriska proteiner. Vi använde beräkningsmetoder för att hitta ett rationellt sätt att införliva ett metallbindningsställe i Pizza-proteinet som vi tidigare hade designat, baserat på tanken att detta skulle kunna tillåta oss att enkelt kontrollera proteinsammansättningen. Vi tror att detta skulle ge oss ett nytt verktyg för att bygga nya proteiner från grunden genom att använda mycket billiga metallreagenser."

Verkligen, när proteinerna modifierades för att ha ett metallbindningsställe och sedan placerades i en lösning av kadmiumklorid, forskarna fann att trimerer av proteinet spontant skulle binda samman. Genom att använda RIKENs SPring-8 synkrotronanläggning i Harima och andra anläggningar, de analyserade strukturen på atomnivå och upptäckte, intressant, att atomerna av kadmium och klorid hade bildat ett litet gitter – en kristallstruktur – inklämt mellan två "pizzor".

Enligt motsvarande författare Kam Zhang, som ledde RIKEN-teamet, "Vi var mycket glada över att se bildandet av kristallen, eftersom det ger insikter i processen för biomineralisering – processen genom vilken naturen införlivar metalliska element i vävnader för att bilda strukturer som snäckskal, tänder, och ben. Våra resultat indikerar möjligheten att använda rationellt utformade symmetriska proteiner för att biomineralisera nanokristaller. Att uppnå detta skulle kunna göra det möjligt för oss att tillverka ett brett utbud av nano-enheter som bioläkemedel, biosensorer, ljusdrivna strömbrytare, och syntetiska enzymer från botten och upp."

"Vi har många idéer om hur detta kan användas ytterligare, " han fortsätter, "och kommer att fortsätta att experimentera för att hitta nya egenskaper i dessa artificiellt designade proteiner."