Proteinburar som finns i mikrober hjälper dess innehåll att klara den hårda intracellulära miljön - en observation som har många biotekniska tillämpningar. Tokyo Tech-forskare har nyligen utvecklat en innovativ bioteknik som använder genetiskt modifierade bakterier för att införliva proteinburar runt proteinkristaller. Denna biosyntesmetod i celler producerar effektivt anpassade proteinkomplex, som kan användas som avancerade fasta katalysatorer och funktionaliserade nanomaterial.
I naturen kan proteiner samlas för att bilda organiserade komplex med otaliga former och syften. Tack vare de anmärkningsvärda framstegen inom bioteknik under de senaste decennierna kan forskare nu producera skräddarsydda proteinsammansättningar för specialiserade applikationer. Till exempel kan proteinburar begränsa enzymer som fungerar som katalysatorer för en riktad kemisk reaktion. På liknande sätt kan proteinkristaller – strukturer som består av repeterande enheter av proteiner – fungera som byggnadsställningar för att syntetisera fasta material med exponerade funktionella terminaler.
Att införliva (eller "inkapsla") främmande proteiner på ytan av en proteinkristall är dock utmanande. Således har syntetisering av proteinkristaller som kapslar in främmande proteinsammansättningar varit svårfångade. Än så länge finns inga effektiva metoder för att uppnå detta mål, och de typer av proteinkristaller som produceras är begränsade. Men tänk om bakteriellt cellulärt maskineri var svaret?
I en nyligen genomförd studie rapporterade ett forskarlag från Tokyo Institute of Technology, inklusive professor Takafumi Ueno, en ny in-cell-metod för att kapsla in proteinburar med olika funktioner på proteinkristaller. Deras papper, publicerad i Nano Letters , representerar ett betydande genombrott inom proteinkristallteknik.
Teamets strategi innebär att genetiskt modifiera Escherichia coli-bakterier för att producera två huvudsakliga byggstenar:polyhedrinmonomer (PhM) och modifierat ferritin (Fr). Å ena sidan kombineras PhMs naturligt i celler för att bilda en väl studerad proteinkristall som kallas polyhedrakristall (PhC). Å andra sidan är 24 Fr-enheter kända för att kombineras för att bilda en stabil proteinbur.
"Ferritin har använts i stor utsträckning som en mall för att konstruera bio-nanomaterial genom att modifiera dess inre och yttre ytor. Således, om bildandet av en Fr-bur och dess efterföljande immobilisering på PhC kan utföras samtidigt i en enda cell, kan tillämpningarna av proteinkristaller i cellen som biohybridmaterial kommer att utökas", förklarar prof. Ueno.
För att immobilisera Fr-burarna i PhC modifierade forskarna genen som kodar för Fr för att inkludera en α-helix(H1)-tagg av PhM, vilket skapade H1-Fr. Resonemanget bakom detta tillvägagångssätt är att H1-helixarna som finns naturligt i PhM-molekyler interagerar signifikant med taggarna på H1-Fr och fungerar som "rekryteringsmedel" som binder de främmande proteinerna till kristallen.
Med hjälp av avancerad mikroskopi, analytisk och kemisk teknik, verifierade forskargruppen giltigheten av deras föreslagna tillvägagångssätt. Genom olika experiment fann de att de resulterande kristallerna hade en kärna-skal-struktur, nämligen en kubisk PhC-kärna cirka 400 nanometer bred täckt av fem eller sex lager av H1-Fr-burar.
Denna strategi för biosyntes av funktionella proteinkristaller lovar mycket för tillämpningar inom medicin, katalys och biomaterialteknik. "H1-Fr burar har potential att immobilisera externa molekyler inuti dem för molekylär leverans", säger prof. Ueno.
"Våra resultat indikerar att H1-Fr/PhC kärna-skal-strukturer, som visar H1-Fr-burar på den yttre ytan av PhC-kärnan, kan kontrolleras individuellt på nanoskalanivå. Genom att ackumulera olika funktionella molekyler i PhC-kärnan och H1 -Fr bur, hierarkiska nanoskala-kontrollerade kristaller kan konstrueras för avancerade biotekniska tillämpningar."
Framtida arbeten inom detta område kommer att hjälpa oss att inse den verkliga potentialen hos biotekniska proteinkristaller och sammansättningar. Med lite tur kommer dessa ansträngningar att bana väg för en hälsosammare och mer hållbar framtid.
Mer information: Thuc Toan Pham et al, Visar en proteinbur på en proteinkristall av In-Cell Crystal Engineering, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02117
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
