Cheryl Kerfelds labb vid Michigan State University har skapat en syntetisk fabrik i nanostorlek, baserad på naturliga sådana som finns i bakterier. Denna forskning kan en dag leda till ny medicinsk, industriella eller bioenergitillämpningar.

Den nya studien publiceras i Metabolisk teknik .

Naturliga nanofabriker finns i bakterier över hela planeten. Vissa gör näringsämnen. Andra binder giftiga material som annars skulle göra bakterierna sjuka - eller till och med dö.

Men alla fabriker delar ett gemensamt yttre, ett skal gjort av proteinplattor. Forskare vill designa nya fabriker, baserat på de som finns i bakterier naturligt, för användning inom bioteknik.

Ett sätt att styra användbara enzymer till dessa fabriker är genom att fysiskt fästa dem till ändarna av proteinerna som utgör fabrikens skal. Men det finns en hake.

Sluten, eller termini, av de flesta skalproteinplattor är vända mot utsidan av en fabrik. Så alla molekyler som smälts samman med proteinändarna kommer att hamna på utsidan och inte på insidan. Detta är ett problem om målet är att hålla ett eller flera enzymer inuti en fabrik separerade från resten av cellen.

"För att skicka proteiner till insidan av fabriken, vi behövde en ny typ av byggstenar som fortfarande är sammansatta i skal, " sa Bryan Ferlez, en postdoktor vid Kerfeld-labbet. "Vi strävade efter att designa om ett skalprotein så att dess ändar är vända mot insidan. Slutresultatet är att last kopplad till detta skalprotein också skulle hamna inuti skalet."

I den nya studien, forskarna tar det mest rikliga skalproteinet, kallas BMC-H, och vänd den "in och ut" genom en teknik som kallas cirkulär permutation.

De blandar segment av aminosyrasekvensen och limmar ihop de ursprungliga ändarna. De introducerar sedan nya terminaler på proteinets insida. Resultatet är en ny, syntetiskt skalprotein som ser nästan identiskt ut med sin naturliga motsvarighet. Förutom nu, båda nya ändarna är vända mot insidan av skalet.

Den nya strukturen är en användbar byggsten för att konstruera fabriksskal. Forskarna har framgångsrikt producerat fabriksskal, med det nya proteinet. De är lika i storlek och utseende som de ursprungliga skalen.

Den nya strukturen kan innehålla molekyler inuti skalet. Teamet testade konceptet genom att smälta ett fluorescerande lastprotein till det nya BMC-H-proteinet. Mikroskopi och biokemiska tester visar lasten på insidan av skalet.

Forskare kan kontrollera mängden last som importeras till den nya strukturen.

"Genom att göra mer eller mindre av det nya BMC-H-proteinet med ett fluorescerande protein sammansmält till dess ände, vi kunde också kontrollera mängden last som ingår i skalet, " sa Ferlez.

Nästa, Ferlez vill rikta "användbara" molekyler till en syntetisk fabrik gjord med det nya skalproteinet.

"Vi kan börja bygga metaboliska vägar, eller löpande band, och definiera mängden och placeringen av enzymer inom dessa nanofabriker. Någon dag, vi skulle kunna använda detta system för att förbättra produktionen av gummi, biobränslen, och andra varor, " förklarade Ferlez.