Наноферменты с уникальным сочетанием структуры и функций

Исследователи из Автономного университета Барселоны (UAB) создали минималистичные биоструктуры, имитирующие природные ферменты. Они способны выполнять две различные и обратимо регулируемые активности благодаря уникальному сочетанию структурных и функциональных свойств. Использованная стратегия открывает путь к созданию «интеллектуальных» наноматериалов с заданными комбинациями каталитических функций.

Интерес к синтетическим системам, способным выполнять биоинспирированные реакции без сложной структуры природных ферментов, растет. Один из подходов — самоорганизация пептидов (молекул меньше белков) из-за их биосовместимости и возможности контроля свойств.

Исследователи из Института биотехнологии и биомедицины UAB (IBB-UAB) разработали одну из самых маленьких структур-миметиков ферментов. Эти пептиды состоят из 7–9 аминокислот и спонтанно самоорганизуются, образуя стабильные амилоидные фибриллы и твердые гидрогели, безвредные для клеток.

Пептиды образованы всего двумя типами водорастворимых аминокислот (тирозином и гистидином). Этот бинарный код содержит всю информацию, необходимую для формирования наноструктур. Кроме того, они обратимы и могут выполнять две различные и не связанные друг с другом каталитические активности.

Ученым удалось создать более простую систему с лучшим контролем ферментативной активности. Впервые в структуре одни и те же аминокислоты обеспечивают каталитическую активность и одновременно формируют макромолекулярную архитектуру. В предыдущих работах эти функции были разделены в разных областях молекулы, что требовало более длинных пептидов и/или приводило к единственной функции.

«Суть в том, что каталитическая активность фибрилл и гидрогелей достигается только при самоорганизации пептидов», — объясняет координатор исследования Сальвадор Вентура. — «Наша стратегия закладывает основы для создания "интеллектуальных" наноматериалов с заданными комбинациями каталитических функций для практического применения».

Уникальные свойства

До сих пор большинство минималистичных пептидов не обладали одной из ключевых способностей природных ферментов — возможностью обратимо регулировать свою активность. В этой работе исследователи научились контролировать способность к сборке, что позволяет переключать активную и неактивную формы простым изменением pH.

Кроме того, новые пептиды обладают свойствами, которых нет у природных ферментов, выполняющих только каталитические функции. Они объединяют два разных типа активности (гидролитическую и электрокаталитическую), которые могут осуществляться одновременно или попеременно. В других случаях для этого потребовались бы два структурно разных искусственных фермента, в сотни раз больше и дороже.

Еще одна характеристика — спонтанность самоорганизации, не требующая дополнительных химических реагентов или нагрева, которые могут быть токсичны или разрушительны для структуры.

Большая эффективность и экономичность

Гидрогели и амилоидоподобные фибриллы позволяют создавать твердые, более эффективные и экономичные микрореакторы, в которых конечный продукт реакции легко отделить от искусственного фермента.

«Созданные нами макромолекулярные структуры могут найти важное применение в микрофлюидике и доставке лекарств, — отмечает Сальвадор Вентура. — Они могут инкапсулировать препарат в собранном состоянии и высвобождать его целенаправленно, при достижении нужного клеточного контекста, простой разборкой структуры».

Сальвадор Вентура возглавляет группу «Сворачивание белков и конформационные болезни» в IBB. «Мы начали нанотехнологические исследования всего три года назад, но наши знания о молекулярном механизме сборки белков в амилоидные структуры помогли создать новые функциональные синтетические наноматериалы со свойствами, недостижимыми для природных пептидов или белков», — говорит он.