Proteiner är utan tvekan några av de mest fascinerande biomolekylerna, och de utför många av de funktioner som (i våra ögon) skiljer liv från livlös materia. Multimolekylära proteinsammansättningar har till och med storskaliga strukturella funktioner, som bevisas av fjädrar, hår, och fjäll hos djur. Det borde inte komma som någon överraskning att med framsteg inom avancerad nanoteknik och bioteknik, konstgjorda proteinsammansättningar har funnit tillämpningar inom en mängd olika områden, inklusive katalys, molekylär lagring, och läkemedelstillförselsystem.

Dock, att producera beställda proteinsammansättningar är fortfarande utmanande. Det är särskilt svårt att få monomerer, byggstenarna i proteiner, att montera stabilt till de önskade strukturerna; detta kräver i allmänhet mycket noggrann design och kontroll av syntesförhållanden, såsom pH (surhet) och temperatur. Nyligen genomförda studier fann sätt att kringgå detta problem genom att använda proteinkristaller - fasta molekylära arrangemang som förekommer naturligt i vissa organismer - som prekursormatriser för att producera proteinsammansättningar.

Vid Tokyo Institute of Technology, Japan, ett team av forskare under ledning av professor Takafumi Ueno har arbetat på en lovande metod för att syntetisera proteinsammansättningar från proteinkristaller. Deras strategi innebär att införa mutationer i den genetiska koden för en organism som naturligt producerar proteinkristaller. Dessa mutationer gör att disulfidbindningar (S-S) bildas mellan monomerer på mycket specifika platser i kristallerna. Kristallerna löses sedan upp, men istället för att bryta ner helt till sina individuella monomerer som vanligt, de nyligen introducerade S-S-bindningarna håller samman grupper av monomerer och kristallerna delas upp i många av de önskade proteinsammansättningarna. Med detta tillvägagångssätt, Uenos team har lyckats syntetisera proteinburar och -rör genom att i huvudsak använda levande celler som nano-3D-skrivare.

I deras senaste studie, som publicerades i Angewandte Chemie International Edition , teamet visade ännu en tillämpning av sin nya strategi; denna gång för syntesen av buntade proteinfilament. De använde en kultur av insektsceller (Spodoptera frugiperda) infekterade med ett virus som orsakade överuttryck av en monomer som kallas "TbCatB." Dessa monomerer aggregerar naturligt inuti cellerna till proteinkristaller, som hålls samman där av de relativt svaga icke-kovalenta interaktionerna mellan monomerer. Forskarna introducerade strategiskt två mutationer i cellerna så att varje monomer hade två tiolgrupper (-SH) av cystein vid kritiska gränssnittspunkter med andra monomerer.

Kristallerna extraherades från cellerna och lämnades att oxidera vid rumstemperatur, vilket fick tiolgrupperna att förändras till starka S-S-bindningar mellan monomerer intill varandra längs en enda riktning genom autooxidation under luft. När kristallerna var upplösta, dessa disulfidbindningar, tillsammans med några kvardröjande icke-kovalenta interaktioner, resulterade i bildandet av buntade proteinfilament som var två monomerer breda - cirka 8,3 nanometer. "Med vår strategi, vi uppnådde ett mycket exakt arrangemang av proteinmolekyler samtidigt som vi undertryckte slumpmässig aggregation av monomerer på grund av oönskade sulfidbindningar, allt i en relativt okomplicerad one-pot process, " framhäver Ueno.

Övergripande, det tillvägagångssätt som teamet vid Tokyo Tech demonstrerade är ett innovativt sätt att syntetisera proteinstrukturer via rationell genteknik och genom att använda de verktyg som är naturligt tillgängliga för celler från vissa organismer. "Vi anser att vår syntesmetod är ett användbart framsteg inom nano-biomaterialvetenskap och supramolekylär kemi för att producera önskade stabila sammansättningar från proteinkristaller, " avslutar Ueno. Bara tiden kommer att utvisa vilka andra användbara molekylära strukturer som kan produceras med denna strategi och vilka intressanta tillämpningar de kommer att hitta.