Самособирающаяся додекаэдрическая наноструктура содержит 60 ионов металла и пептидных лигандов

Контроль топологии и структуры переплетённых молекулярных цепей — ключевая задача молекулярной инженерии, особенно при создании крупных наноструктур, имитирующих биологические системы. Примеры из природы, такие как капсиды вирусов и транспортные белки, демонстрируют огромный потенциал таких архитектур. Однако методы создания крупных полых наноструктур с точным геометрическим контролем оставались недостижимыми — до сих пор.

Исследовательская группа под руководством доцента Томохисы Савады из Института науки Токио (Япония) успешно создала молекулярную сферическую оболочку с геометрической топологией правильного додекаэдра.

Эта новаторская работа, опубликованная онлайн в журнале Chem, описывает, как учёные создали эту крупную структуру с внешним диаметром 6,3 нанометра путём переплетения пептидов с ионами металлов.

«Синтез этой высокосложной структуры был основан на геометрических соображениях и предсказаниях, что привело к предложению новой концепции: геометрического контроля химических структур», — объясняет Савада.

Подход команды объединил две различные математические концепции — теорию узлов и теорию графов — чтобы предсказать, а затем добиться самосборки беспрецедентного додекаэдрического узла с 60 переплетениями, состоящего из 60 ионов металла и 60 пептидных лигандов (или M₆₀L₆₀).

Ранее исследователи создавали меньшие структуры с тетраэдрическими и кубическими узлами. Однако более сложный додекаэдрический узел возник после того, как они внесли дополнительные модификации в последовательность пептида при попытках функционализации M₂₄L₂₄ — меньшего кубического узла.

Рентгеноструктурный анализ показал, что полученная металло-пептидная оболочка M₆₀L₆₀ содержит внутреннюю полость диаметром примерно 4,0 нанометра (примерно 34 000 ų), что достаточно для инкапсуляции макромолекул, таких как белки или наноматериалы.

Помимо впечатляющей структурной сложности, оболочка M₆₀L₆₀ продемонстрировала замечательную стабильность к нагреву, разбавлению и окислительным условиям, что исследователи связывают с её уникальной переплетённой сетевой структурой.

Команда также показала, что поверхность капсида можно модифицировать различными функциональными группами без потери структурной целостности, открывая пути для кастомизации под конкретные задачи.

Эти особенности делают M₆₀L₆₀ перспективной платформой для различных применений, включая системы доставки лекарств и молекулярного транспорта.

«Учитывая разнообразие и модифицируемость пептидных структур, наш метод имеет подавляющее преимущество по сравнению с технологией ДНК-оригами с точки зрения функционализации структур», — подчёркивает Савада.

«Более того, поскольку наш подход включает теоретическое предсказание и эксперименты методом проб и ошибок, иногда получаются удивительные структуры, далеко превосходящие наши ожидания — в этом суть химии».

В целом, это исследование представляет собой значительный шаг вперёд в понимании того, как конструировать искусственные структуры, подобные вирусным капсидам.

«Наши выводы значительно расширяют основу пептидной инженерии и, как ожидается, окажут огромное влияние в различных областях, включая молекулярную самосборку, химию материалов и математические теории», — заключает Савада.

Исследователи теперь стремятся к созданию ещё более амбициозных структур, рассматривая сборки M₁₈₀L₁₈₀ и M₂₄₀L₂₄₀ с 180 и 240 переплетениями соответственно в качестве своих следующих задач.