Точное проектирование крупных икосаэдрических белковых наноклеток расширяет границы биоинженерии

Исследователи спроектировали десять крупных двухкомпонентных белковых комплексов, состоящих из 120 субъединиц. Эти структуры не только самоорганизуются с атомарной точностью, но и способны инкапсулировать другие материалы.

Материалы были спроектированы с икосаэдрической симметрией, которая обеспечивает эффективную сборку за счёт повторяющихся геометрических расположений и максимизирует пространство для полезного груза. Икосаэдр — это 20-гранный многогранник, являющийся базовой моделью для геодезических куполов.

Успешный дизайн и экспериментальная характеристика этих новых молекулярных архитектур описаны в статье на обложке текущего выпуска журнала Science. Статья называется «Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes».

Ведущим исследователем в команде из 11 человек был Джейкоб Б. Бейл, недавний выпускник докторской программы по молекулярной и клеточной биологии Вашингтонского университета. Старшими авторами были Дэвид Бейкер и Нил П. Кинг из Института дизайна белков Вашингтонского университета.

Белковые структуры были смоделированы на атомарном уровне с помощью программного обеспечения для молекулярного моделирования. Белки, составляющие наноструктуры, были закодированы в последовательностях ДНК и произведены внутри бактериальных клеток. Десять материалов были признаны соответствующими проектным моделям.

Белковые наноструктуры, описанные в этом исследовании, являются крупнейшими из спроектированных белковых комплексов, подтверждённых рентгеновской кристаллографией. Их молекулярная масса составляет от 1.8 до 2.8 мегадальтон, а диаметр — от 24 до 40 нанометров, что сопоставимо с размером белковых оболочек, содержащих генетический материал небольшого вируса.

Внутренние полости этих молекул и различные способы смешивания их компонентов делают их хорошо подходящими для инкапсуляции широкого спектра материалов. В качестве демонстрации исследователям удалось заставить свои белковые наноклетки инкапсулировать полезный груз из суперзаряженного зелёного флуоресцентного белка.

Атомарная точность, быстрая контролируемая сборка, размер, сложность и возможность генетической модификации этих материалов «расширяют границы биомолекулярной инженерии». Способность точно проектировать такие крупные и сложные белковые структуры открывает путь к созданию нового поколения биомолекулярных машин и материалов.

Присоединяя таргетные агенты и создавая механизмы высвобождения груза, такие конструкции могут стать основой для молекулярных средств доставки лекарств или генной терапии в клетки. Также размещение вирусных компонентов на структурах может позволить использовать их в качестве безопасных новых вакцин. Включение ферментов в спроектированные материалы может превратить их в миниатюрные химические реакторы для биоэнергетики или других приложений метаболической инженерии.

Исследование было поддержано Медицинским институтом Говарда Хьюза, Фондом Билла и Мелинды Гейтс, компанией Takeda Pharmaceutical, Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС и Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов. На молекулы поданы патенты.

Эта работа основана на предыдущем исследовании авторов, опубликованном в июне этого года в журнале Nature, где они успешно спроектировали одиночную, высокостабильную, самоорганизующуюся икосаэдрическую наноклетку из 60 субъединиц.