Chimiștii utilizează ADN programabil pentru a genera cristale proteice precise
De câteva decenii, oamenii de știință s-au bazat în principal pe un proces laborios de încercări și erori pentru a obține proteine în forme cristaline. Cristalizarea le permite să determine structurile moleculare ale proteinelor, ceea ce poate oferi un model pentru proiectarea medicamentelor, ingineria enzimelor și înțelegerea bolilor.
Recent, chimiștii de la Universitatea Northwestern au dezvoltat o nouă abordare care înlocuiește acest proces obositor și imprevizibil cu un design intenționat.
Într-un studiu recent, cercetătorii de la Northwestern au reutilizat firele de ADN flexibile ca un plan și un adeziv molecular programabil. Folosind ADN-ul, echipa a direcționat proteinele să se asambleze în structuri cristaline proiectate intenționat, cu un ordin la nivel atomic. Această strategie le-a permis cercetătorilor să controleze cu precizie modul în care se leagă proteinele, generând cristale neobișnuit de moi și flexibile, menținând totodată un înalt ordin structural necesar pentru determinarea structurilor proteinelor.
Acest lucru nu doar că simplifică una dintre cele mai dificile provocări din biologia structurală, dar răstoarnă și o presupunere de lungă durată conform căreia blocurile de construcție flexibile nu pot produce cristale cu un ordin la nivel atomic. Această metodă ar putea, de asemenea, să permită o nouă generație de biomateriale flexibile și personalizabile pentru biosenzori, livrarea de medicamente, bioelectronică și robotică.
Studiul va fi publicat miercuri (29 iulie) în revista Science Advances.
„Implicarea acestei cercetări este profundă”, a declarat Chad A. Mirkin, care a condus studiul. „Proteinele sunt blocurile de bază ale vieții, iar structura lor determină funcția. Atunci când determinăm intenționat aceste structuri, obținem noi perspective puternice asupra modului în care proteinele recunosc alte molecule, catalizează reacții chimice și interacționează cu sistemele vii. Această cunoaștere ne ajută în cele din urmă să identificăm noi ținte pentru medicamente, să proiectăm noi medicamente și să inginerizăm noi materiale.”
Mirkin, un pionier al nanotehnologiei, ocupă funcția de profesor de chimie și are apucături la Colegiul Weinberg de Arte și Științe, la Școala de Medicină Feinberg a Universității Northwestern și la Școala de Inginerie McCormick. De asemenea, este directorul fondator al Institutului Internațional pentru Nanotehnologie. Zhenyu Han, care a fost student absolvent în laboratorul lui Mirkin în timpul studiului, este primul autor al lucrării.
Proteinele sunt esențiale pentru aproape toate sarcinile din interiorul celulelor vii. Pentru a înțelege modul în care aceste mașini moleculare funcționează – și pentru a proiecta medicamente care să le vizeze – oamenii de știință trebuie să determine structurile lor tridimensionale.
Crystallografia cu raze X este standardul de aur pentru dezvăluirea acestor structuri. În această tehnică, oamenii de știință determină mai întâi miliarde de proteine identice să se asambleze într-un cristal. Apoi, ei luminează cristalul cu raze X și analizează modelele de difracție rezultate pentru a reconstrui structura atomică a proteinei. Totuși, convingerea proteinelor să formeze cristale adecvate este adesea unul dintre cei mai dificili și imprevizibili pași din proces.
Pentru a îmbunătăți acest pas nesigur, Mirkin s-a îndreptat către fragmente flexibile de ADN cu o singură fâșie. Într-un studiu din 1996 publicat în Nature, Mirkin și echipa sa au utilizat fire de ADN complementare pentru a asambla nanoparticule de aur în structuri ordonate. De atunci, laboratorul său și multe altele au folosit ADN-ul ca element de legătură programabil pentru a organiza nanoparticule, polimeri și alte blocuri de construcție la scară nanometrică în structuri ordonate.
Cu peste 30 de ani în urmă, grupul lui Mirkin a propus ideea de a lua nanoparticule și de a le modifica cu ADN pentru a crea echivalente atomice programabile. Nanoparticulele din natură sunt proteine. Diferența dintre nanoparticulele sintetice și proteine este că proteinele sunt uniformizate și precise molecular în mod natural. Astfel, dacă modificăm proteinele cu ADN și le asamblăm, putem forma cristale de înaltă calitate, atomice precise, depășind o provocare de decenii în domeniul asamblării programabile cu ADN.”
Mirkin a subliniat că ADN-ul are o tendință naturală de a căuta potrivirea perfectă. Fiecare fir de ADN este format din patru „litere” chimice – A, T, C și G – care se potrivesc în moduri previzibile. De exemplu, A se potrivește întotdeauna cu T, iar C se potrivește întotdeauna cu G. Atunci când două fire de ADN complementare se întâlnesc, ele se leagă spontan pentru a forma cunoscutul dublu helix.
În multe privințe, legăturile ADN sunt mai programabile decât legăturile chimice convenționale. Prin modificarea secvenței ADN-ului, oamenii de știință pot dicta care molecule se leagă și unde se leagă. Acest lucru deschide ușa pentru construirea cristalelor cu arhitecturi personalizabile și proprietăți mecanice pentru aplicații specifice.
În noul studiu, echipa lui Mirkin a atașat fire scurte de ADN fiecărei proteine. Apoi, ADN-ul a tras împreună proteinele vecine, asamblându-le în cristale proiectate cu precizie. Echipa a variat, de asemenea, caracteristicile cheie de design – cum ar fi lungimea și plasarea firului de ADN – pentru a determina cum afectează fiecare variabilă formarea cristalelor. În cele din urmă, ei au folosit cristalografia cu raze X pentru a examina cristalele rezultate.
„Interacțiunile bine definite ADN-ADN au condus procesul de asamblare și cristalizare”, a declarat Han. „Ca rezultat, proteinele nu doar că au adoptat poziții și orientări specifice, dar atomii din fiecare proteină sunt, de asemenea, aliniați în același mod pe tot parcursul cristalului. Când se întâmplă acest lucru, poți folosi metodele de difracție ale razelor X cu cristal unic pentru a determina structura lor și a vedea detalii la nivel atomic în interiorul proteinei.”
Pentru a valida în continuare abordarea, echipa a crescut peste 1.000 de cristale de proteine și a determinat structurile atomice ale 28 de designuri distincte proteină-ADN. În ciuda modificării sistematice a lungimii și plasării ADN-ului, cristalele rezultate s-au asamblat constant în arhitecturile proiectate. Această reproducibilitate, împreună cu vizualizarea directă a dublu helicelor ADN care leagă proteinele vecine în cadrul cristalelor, le-a oferit cercetătorilor încrederea că ADN-ul – nu întâmplarea – a direcționat asamblarea.
„Aceste numere arată că nu am avut doar noroc”, a spus Mirkin. „Am demonstrat sistematic această abordare în sute de posibilități și am arătat de mai multe ori că este o metodă fiabilă. Legătura ADN este o clasă fundamental nouă de legătură chimică, iar această lucrare arată cum poate fi utilizată în moduri în care legăturile chimice convenționale nu pot – pentru a crea un nou tip de material care generează atât cunoștințe fundamentale noi, cât și progrese tehnologice care
