Учёные разработали молекулярные детали для создания новых искусственных материалов

Искусственный белок и спиральная молекула-фолдамер формируют крепкую и точно определённую пару: из неё уже создали кольцевые структуры и бесконечные молекулярные цепи

Исследователи из Университета Людвига и Максимилиана в Мюнхене (LMU), а также их партнёры из Берлина, Бордо и Нанта, разработали пару, состоящую из искусственного белка и синтетической молекулы, которую можно применять в качестве точно заданного строительного элемента для более крупных молекулярных конструкций. В отличие от многих ранее созданных белково-синтетических комплексов, оба компонента соединяются по значительной и чётко определённой поверхности, что позволяет контролировать их взаимное расположение. Результаты были опубликованы в журнале Nature Chemistry.

В качестве синтетического элемента команда задействовала фолдамер — искусственную молекулу, которая, как и белок, самопроизвольно складывается в стабильную трёхмерную конфигурацию. В данном случае она формирует спираль.

Сложность при создании гибридных материалов из белков и синтетических молекул заключается в том, что мелкие молекулы обычно соединяются с отдельными участками белка, но не задают точное расположение всей конструкции. Гибкие соединители могут связывать компоненты, однако в этом случае они могут свободно перемещаться, что снижает точность сборки.

Для получения более подходящей пары исследователи начали с искусственного белка вместо небольшой молекулы. Они воспользовались рибосомным дисплеем — биохимическим методом, позволяющим выбирать необходимые белки из обширной библиотеки вариантов. После 4 раундов отбора из сотен миллиардов возможных вариантов был выделен вариант C10 белкового каркаса Nanofitin. Этот искусственный белок имеет массу около 7 кДа (килодальтон — единица молекулярной массы белков).

C10 избирательно связывается с правозакрученной P-спиралью фолдамера и делает это с высокой прочностью, в то время как с левозакрученной M-спиралью связывания не были обнаружены. Площадь контакта между двумя компонентами превышает 700 квадратных ангстрем, а поверхность контакта имеет четко определённую геометрию. Структуру комплекса анализировали с помощью ядерного магнитного резонанса, рентгеновской кристаллографии и других методов, а более крупные комплексы исследовали с помощью масс-спектрометрии.

Получившуюся пару затем использовали в качестве «молекулярного конструктора». Фолдамер можно было настроить таким образом, чтобы он одновременно связывал 2 белка и удерживал их на заданном расстоянии друг от друга. В обратной конфигурации димер белков (комплекс из 2 белковых молекул) связывал 2 фолдамера. В кристаллах такие блоки самостоятельно формировали кольцевые структуры и бесконечные зигзагообразные сети. Изменяя длину фолдамера, можно управлять расстоянием и пространственной ориентацией связанных белков.

Компьютерный анализ кристаллической решётки показал, что полученная структура обладает высокой пористостью. Самые крупные полости теоретически могут вместить сферические объекты диаметром около 5 нм, например наночастицы или крупные молекулы. При этом химический состав и длину фолдамера можно регулировать, что даёт возможность варьировать геометрию будущих конструкций и добавлять в них дополнительные функциональные группы.

Авторы рассматривают данную систему как основу для создания пористых трёхмерных материалов из искусственных молекулярных блоков. Тот же принцип теоретически можно применить и к природным белкам: если добавить к ним участки, распознающие фолдамеры, то синтетические молекулы смогут соединять белки между собой или удерживать их на заданном расстоянии. Это создаёт способ управлять пространственной организацией белковых комплексов без использования других белков в качестве соединительных элементов.