Впервые ученые создали с нуля самоорганизующиеся белковые нити

Самоорганизующиеся белковые нити были сконструированы из идентичных субъединиц белка, которые мгновенно соединяются вместе, образуя длинные спиральные, нитевидные структуры. В естественном мире белковые нити являются важными компонентами нескольких структурных и подвижных частей в живых клетках, а также многих тканей организма.

Что такое белковые нити?

К белковым нитям относятся цитоскелеты, которые дают клеткам их форму, клеточные микротрубочки, которые организуют деление клеток, и самый распространенный белок в нашем организме, коллаген, который дает как прочность, так и гибкость для хрящей, кожи и других тканей.

«Способность создавать белковые нити с нуля  или de novo, поможет нам лучше понять структуру и механику естественных белковых нитей, а также позволит создавать совершенно новые материалы, в отличие от любых найденных в природе», — сказал Дэвид Бейкер (David Baker) из Школы медицины Университета Вашингтона (University of Washington School of Medicine).

Такие материалы могут включать человеческие волокна, которые равны или превосходят прочность паутинного шелка, который по весу прочнее стали, сказал Бейкер. Он также упомянул о возможности наномасштабной проводной схемы.

Материалы и методы обследования

Для разработки белковых нитей исследователи использовали компьютерную программу, разработанную в лаборатории Бейкера (Baker laboratory) под названием Rosetta, которая может предсказать форму белка из его аминокислотной последовательности.

Для правильной работы белки должны складываться в точную форму. Эта укладка обусловлена свойствами отдельных аминокислот и тем, как они взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Силы притяжения и отталкивания приводят белок в состояние, которое имеет самый низкий уровень энергии.

Вычисляя, какая форма будет уравновешивать эти силы притяжения и отталкивания, чтобы обеспечить наименьший общий уровень энергии, Rosetta с высокой степенью точности может предсказать форму, которую белок примет в природе.

Результаты научной работы

Используя Rosetta, исследователи решили разработать небольшие белки, где на их поверхности были аминокислоты, которые заставляли бы их соединяться друг с другом. Для того, чтобы спираль была стабильной, сконструированный белок связывает другие копии, расположенные над и под ним, когда спираль вращается вокруг уровня.

«В конечном итоге мы смогли разработать белки, которые могли бы соединяться вместе, как Лего», — сказал Хао Шен (Hao Shen). Он и Хорхе Фальяс (Jorge Fallas) являются авторами исследования.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Фальяс сказал, что разработанные белки относительно малы. Они состоят примерно из 180- 200 аминокислот и имеют длину около одного нанометра, но собираются в стабильные волокна длиной более 10 000 нанометров. Нанометр составляет 1 миллиард доли метра, или около ширины 10 атомов водорода, выстроившихся бок о бок.

Исследователи также показали, что благодаря обработке концентрации белка в растворе и добавлению веществ, которые препятствуют способности белка связываться, они могут приводить в движение волокна, чтобы способствовать их росту.

«Способность программировать динамику образования нитей даст нам представление о том, как сборка и разборка нитей регулируются по своей природе», — сказал Бейкер. «Стабильность этих белков свидетельствует о том, что они могут служить легко изменяемыми каркасами для различных областей применения: от новых диагностических тестов до наноэлектроники».

Авторы другого исследования утверждают, что идентифицирован белок, вызывающий альбинизм.