Den gamla konsten att vika papper som kallas origami används för att göra invecklade fåglar eller andra former. Inspirerad av arbetet med DNA origami, där nanostrukturer är gjorda av vikande DNA, ett team av ingenjörer vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis har hittat ett nytt sätt att skapa enkelkedjiga protein-nanostrukturer genom att använda syntetisk biologi och proteinmonteringstekniker.

Teamet skapade nanostrukturer - i form av trianglar och rutor - med hjälp av stabila proteinbyggstenar. Dessa proteinnanostrukturer kan tåla höga temperaturer och hårda kemiska förhållanden, båda är inte möjliga med DNA-baserade nanostrukturer. I framtiden, dessa protein -nanostrukturer kan användas för att förbättra avkänningsförmågan, snabba kemiska reaktioner, inom läkemedelsleverans och andra applikationer.

När du försöker skapa proteinnanostrukturer som är lämpliga för specifika applikationer, forskare gör vanligtvis modifieringar av befintliga proteinstrukturer, såsom viruspartiklar. Dock, formerna av nanostrukturer som kan göras med detta tillvägagångssätt är begränsade till vad naturen ger. Nu, Fuzhong Zhang, docent i energi, miljö- och kemiteknik, och medlemmar i hans labb har utvecklat en bottom-up-strategi för att bygga 2-D-nanostrukturer, börjar i grunden från grunden.

"Att bygga något som naturen inte har erbjudit är mer spännande, "Zhang sa." Vi tog individuellt vikta proteiner och använde dem som byggstenar, sedan monterade vi ihop dem bit för bit så att vi kan skapa skräddarsydda nanostrukturer. "

Resultaten av arbetet publicerades i Naturkommunikation 25 juli.

Med hjälp av metoder för syntetisk biologi, Zhangs team först biosyntetiserade stavformade proteinbyggstenar, liknande form som en penna men bara 12 nanometer lång.

Sedan, de kopplade ihop dessa byggstenar genom reaktiva proteindomäner som var genetiskt sammansmälta till ändarna på var och en av stavarna, bildar trianglar med tre stavar och rutor med fyra stavar. Dessa reaktiva proteindomäner är kända som splitinteiner, som inte är nya för Zhangs lab-de är samma verktyg som hans grupp använder för att göra höghållfast syntetiskt spindelsilke och syntetiska repliker av de självhäftande musselmotproteinerna.

I båda fallen, dessa delade helhetsgrupper möjliggör produktion av stora proteiner som gör det syntetiska spindelsilket tuffare och starkare och musselfotproteinerna klibbigare. I detta fall, de möjliggör konstruktion av nya nanostrukturer.

Zhangs team arbetade med Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i teknik, professor i biomedicinsk teknik och en expert på biofysik av egensstörda proteiner, fasövergångar och proteinvikning. Både Zhang och Pappu är medlemmar i universitetets Center for Science &Engineering of Living Systems (CSELS).

"Professor Pappus laboratorium, specifikt tidigare postdoktor Jeong-Mo Choi, hjälpte oss att förstå hur proteinsekvensen vid anslutningarna bestämmer flexibiliteten hos dessa nanostrukturer och hjälpte oss att förutsäga proteinsekvenser för att bättre kontrollera flexibiliteten och geometrin hos nanostrukturer, "Zhang sa." Samarbetet mellan mitt syntetiska biologilaboratorium och professor Pappus biofysiska modelleringslabb har visat sig vara mycket produktivt. "

Samarbetet förenklade en mycket komplex process.

"När vi förstod designstrategin, arbetet är ganska enkelt och ganska roligt att göra, "Zhang sa." Vi kontrollerade precis de olika funktionella grupperna, sedan kontrollerade de formerna. "

På grund av den mångsidiga funktionen hos proteiner, dessa nanostrukturer kan eventuellt användas som byggnadsställningar för att montera olika nanomaterial. För att testa denna idé, laget monterade 1-nanometer guld nanopartiklar exakt vid triangelns hörn. Med hjälp av ett toppmodern elektronmikroskop i universitetets Institute of Materials Science &Engineering, både proteintrianglarna och guldnanopartiklarna som samlats i trianglarnas hörn var synliga.

För att testa stabiliteten hos dessa proteinnanostrukturer, laget utsatte dem för höga temperaturer, upp till 98 grader Celsius, kemikalier som guanidiumhydroklorid, och till organiska lösningsmedel såsom aceton. Även om dessa förhållanden i allmänhet förstör proteinstrukturer, strukturerna från Zhangs lab förblev intakta. Denna ultrastabilitet kan möjliggöra fler nanoskalaapplikationer som är svåra eller inte är möjliga med hjälp av nanostrukturer gjorda av DNA eller andra proteiner, Sa Zhang.

Nästa, teamet arbetar med Srikanth Singamaneni, professor i maskinteknik och materialvetenskap och medlem i CSELS, att använda dessa proteinnanostrukturer för att utveckla förbättrade plasmoniska sensorer.

"Att utnyttja samspelet mellan mycket stabila strukturella byggstenar och inneboende störda eller flexibla regioner ger en ny väg till att designa nanostrukturer med anpassningsbara funktioner för en mängd olika tillämpningar inom syntetisk biologi och biomedicinsk vetenskap, "Pappu sa." Detta är en av de viktigaste punkterna i vårt centrum som återspeglas av synergierna mellan tre olika laboratorier som är en del av centret. "