Упорядоченные массивы функциональных белков с помощью ДНК

Учёные создали желаемые двумерные и трёхмерные упорядоченные массивы белков, сохранив их структурную стабильность и биологическую активность. Для этого они использовали ДНК в качестве программируемого строительного материала. Работа, проведённая совместно Брукхейвенской национальной лабораторией (DOE), Колумбийским университетом, Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли (DOE) и Городским университетом Нью-Йорка (CUNY), опубликована 17 июня в Nature Communications.

Мотивация и потенциал

Основной целью было создать рациональный способ организации белков в заданные 2D и 3D архитектуры с сохранением их функции. Традиционные методы кристаллизации часто приводят к потере функции белков из-за изменения их структуры. Новый подход открывает возможности для создания инженерных биоматериалов в областях тканевой инженерии, многокомпонентных ферментных систем, профилирования белков для прецизионной медицины и синтетической биологии.

Метод: ДНК-оригами как каркас

Исследователи использовали технику ДНК-оригами для создания каркасов в форме октаэдров. Внутрь этих каркасов в целевые позиции (центр или со смещением) помещали одноцепочечные ДНК с определённой кодирующей последовательностью («цветом»). К поверхности белков (ферритина, хранящего железо, и его апоформы) присоединяли комплементарные цепи ДНК. При смешивании каркасов и белков с последующим нагревом белки занимали заданные позиции внутри каркасов.

Сборка массивов

Для соединения этих наноразмерных строительных блоков (белковых «вокселей») в заданные 2D и 3D массивы использовали разные «цвета» для внешних связей вокселей. Эта схема позволила программируемо управлять сборкой. Команда продемонстрировала создание одно- и двухслойных 2D массивов, а также 3D решёток.

Верификация структуры

Для подтверждения успешной инкапсуляции белков и правильности сборки решёток использовали комплекс методов:

• Электронная микроскопия (EM) в CFN.
• Малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) на пучковых линиях CMS и LiX в NSLS-II (Брукхейвен).
• Криоэлектронная микроскопия в Molecular Foundry (Лоуренс Беркли) и в CUNY.

Проверка биологической активности

На массиве ферритина проверили сохранение биологической функции. Добавление восстановительного реагента вызвало высвобождение ионов железа из центра белков. Мониторинг SAXS-картин во время этого процесса показал:

• Количество и скорость высвобождения железа.
• Сохранение целостности белковой решётки во время операции.
• Белки оставались внутри ДНК-каркасов (подтверждено TEM).

Выводы и перспективы

Платформа на основе ДНК позволила организовать белки в заданные архитектуры, сохранив их нативную функцию. В будущем метод планируют применить к другим типам белков для создания более сложных и операциональных белковых систем. Это важный шаг к созданию инженерных биоактивных материалов, не существующих в природе.