Статья с описанием так называемых гибридных или многокомпонентных материалов появится в выпуске журнала Nature от 2 сентября.«Многокомпонентные материалы обладают множеством преимуществ», — говорит Юн (Курт) Мо (PhD ’15), первый автор исследования Nature. "Если ваш материал состоит из нескольких различных видов компонентов, он может обладать большей функциональностью.
Например, белок очень универсален; его можно использовать для многих вещей, таких как белок-белковые взаимодействия или в качестве фермента для ускорения реакция. А ДНК легко запрограммировать в наноструктуры самых разных размеров и форм ».
Но как начать создавать что-то вроде нанопроволоки белок-ДНК — материала, которого никто раньше не видел?Моу и его коллеги в лаборатории Стивена Мэйо, профессора биологии и химии Брена и заведующего кафедрой Уильяма К. Боуза-младшего Отделения биологии и биологической инженерии Калифорнийского технологического института, начали с компьютерной программы для разработки типа белка и ДНК, которые лучше всего будет работать как часть их гибридного материала. «Материалы можно формировать, просто используя метод проб и ошибок, комбинируя вещи, чтобы увидеть, какие результаты, но будет лучше и эффективнее, если вы сначала сможете предсказать, на что похожа структура, а затем спроектировать белок, чтобы сформировать такой материал, " он говорит.Исследователи ввели свойства нанопроволоки белок-ДНК, которую они хотели, в компьютерную программу, разработанную в лаборатории; Затем программа сгенерировала последовательность аминокислот (строительные блоки белка) и азотистых оснований (строительные блоки ДНК), которые позволили бы произвести желаемый материал.
Однако, по словам Моу, успешно создать гибридный материал не так просто, как просто добавить некоторые свойства в компьютерную программу. Хотя компьютерная модель обеспечивает последовательность, исследователь должен тщательно проверить модель, чтобы убедиться, что полученная последовательность имеет смысл; в противном случае исследователь должен предоставить компьютеру информацию, которую можно использовать для исправления модели. «В конце концов, вы выбираете последовательность, с которой согласны вы и компьютер. Затем вы можете физически смешать предписанные аминокислоты и основания ДНК, чтобы сформировать нанопроволоку».Полученная последовательность была искусственной версией соединения белок-ДНК, которое происходит в природе.
На начальной стадии экспрессии гена, называемой транскрипцией, последовательность ДНК сначала преобразуется в РНК. Чтобы задействовать фермент, который фактически транскрибирует ДНК в РНК, белки, называемые факторами транскрипции, должны сначала связать определенные области последовательности ДНК, называемые доменами связывания белков.Используя компьютерную программу, исследователи сконструировали последовательность ДНК, которая содержала многие из этих связывающих белок доменов через определенные промежутки времени. Затем они выбрали фактор транскрипции, который естественным образом связывается с этим конкретным сайтом связывания с белками — фактор транскрипции, названный Engrailed от плодовой мухи Drosophila.
Однако в природе Engrailed прикрепляется только к сайту связывания белка на ДНК. Чтобы создать длинную нанопроволоку, состоящую из непрерывной цепи белка, прикрепленной к непрерывной цепи ДНК, исследователям пришлось изменить фактор транскрипции, включив в нее сайт, который позволил бы Engrailed также связываться со следующим белком в линии.«По сути, это все равно, что дать этому белку две руки, а не одну», — объясняет Мо. «Рука, держащая ДНК, проста, потому что она дана природой, но другая рука должна быть добавлена туда, чтобы удерживать другой белок».
Еще одним уникальным свойством этой новой нанопроволоки белок-ДНК является то, что в ней используется совместная сборка — это означает, что материал не будет образовываться, пока в раствор не будут добавлены и белковые компоненты, и компоненты ДНК. Хотя материалы раньше можно было сделать из ДНК с добавлением белка позже, использование совместной сборки для создания гибридного материала было первым. По словам Моу, этот атрибут важен для будущего использования материала в медицине или промышленности, поскольку два набора компонентов могут быть предоставлены отдельно, а затем объединены для создания нанопроволоки в любое время и в любом месте.
Это открытие основано на более ранней работе лаборатории Mayo, которая в 1997 году создала один из первых искусственных белков, тем самым положив начало области компьютерного дизайна белков. Возможность создавать синтетические белки позволяет исследователям разрабатывать белки с новыми возможностями и функциями, такие как терапевтические белки, нацеленные на рак. Создание совместно собранной нанопроволоки белок-ДНК — еще одна веха в этой области.
«Наша предыдущая работа была сосредоточена в первую очередь на разработке растворимых белковых систем. Представленная здесь работа представляет собой значительное расширение нашей деятельности в области наноразмерных смешанных биоматериалов», — говорит Мэйо.Хотя разработка этого нового биоматериала находится на очень ранних стадиях, этот метод, по словам Моу, имеет много многообещающих применений, которые могут изменить исследования и клиническую практику в будущем.«Нашим следующим шагом будет изучение множества потенциальных применений нашего нового биоматериала», — говорит Моу. «Его можно было бы включить в методы доставки лекарств в клетки — для создания целевых методов лечения, которые связываются только с определенным биомаркером определенного типа клеток, таких как раковые клетки.
Мы также могли бы расширить идею нанопроволоки белок-ДНК на белок-ДНК. РНК-нанопроволоки, которые можно использовать для генной терапии. А поскольку этот материал совершенно новый, вероятно, есть еще много других применений, которые мы еще даже не рассматривали ».