Управление сборкой биоматериалов через наноразмерные изменения в белках

Ученые из Университета Лидса разработали подход, который может помочь в создании нового поколения синтетических биоматериалов на основе белков. Эти материалы потенциально могут применяться в восстановлении суставов, заживлении ран, а также в других областях здравоохранения и производства продуктов питания.

Ключевой задачей является контроль и тонкая настройка процесса, при котором белковые строительные блоки собираются в сложные сети, формирующие основу биоматериала. Исследователи изучают, как изменения структуры и механики отдельных белковых блоков (на наноуровне) влияют на структуру и механику всего биоматериала на макроуровне, сохраняя при этом биологическую функцию белковой сети.

В статье, опубликованной в журнале ACS Nano, сообщается, что ученым удалось изменить структуру белковой сети, удалив специфические химические связи в белковых блоках — так называемые «белковые скобы» (protein staples).

После удаления этих «скоб» отдельные белковые молекулы легче разворачивались (unfolded) при соединении и сборке в сеть. В результате образовалась сеть с областями свернутого белка, соединенными участками развернутого белка, что привело к совершенно иным механическим свойствам биоматериала.

Ключевые выводы и цитаты:

• Профессор Лорна Дуга́н: «Белки демонстрируют удивительные функциональные свойства. Мы хотим понять, как можно использовать это разнообразие биологических функций в материалах, где белки служат строительными блоками. Для этого нужно понять, как изменения на наноуровне, на уровне отдельных молекул, меняют структуру и поведение белка на макроуровне».
• Доктор Мэтт Хьюз: «Контроль над способностью белкового блока разворачиваться путем удаления "белковых скоб" привел к формированию существенно разных архитектур сетей с заметно отличающимся механическим поведением. Это доказывает, что разворачивание белкового блока играет определяющую роль в архитектуре белковых сетей и последующей механике».

Методология:

Исследователи использовали объекты Astbury Centre for Structural Molecular Biology и Школы физики и астрономии в Лидсе, а также источник нейтронов и мюонов ISIS в Лаборатории Резерфорда — Эплтона (STFC, Оксфордшир). Нейтронное рассеяние позволило выявить критические изменения в структуре белковой сети после удаления нано-«скоб».

Параллельно с экспериментами доктор Бен Хансон смоделировал структурные изменения. Моделирование подтвердило, что именно процесс разворачивания белка во время формирования сети является решающим для определения архитектуры белковых гидрогелей.

Заключение:

Как отметила профессор Дуга́н, способность изменять наноразмерные свойства белковых строительных блоков — от жесткого свернутого состояния к гибкому развернутому — открывает мощный путь для создания функциональных биоматериалов с контролируемой архитектурой и механическими свойствами.