Для ученых Института дизайна белков Вашингтонского университета, работающих над изобретением молекулярных инструментов, транспортных средств и устройств для медицины и других областей, геометрия икосаэдра вдохновляет. Его симметрия, напоминающая птичью клетку, и просторный интерьер предполагают возможность перевозки грузов.Создатели белков исходили из множества вирусов, которые на пути к живым клеткам переносят свои геномы в защитные икосаэдрические белковые оболочки.
Эти пакеты для доставки, называемые вирусными капсидами, сформированы так, чтобы быть достаточно прочными, чтобы выдержать трип, эффективно использовать место для хранения и разламываться, чтобы высвободить их содержимое при подходящих условиях.В статье исследователей в научном журнале Nature рассказывается об их вычислительном дизайне и экспериментальном тестировании высокостабильной икосаэдрической белковой наноклетки.Созданная на атомном уровне, эта наноклетка может конструироваться из биохимических строительных блоков и информации, закодированной в цепях ДНК.
После выбора конструкции для этой икосаэдрической наноклетки с помощью компьютерного моделирования, исследователи создали ее на бактериях. Электронная микроскопия полученных икосаэдрических частиц подтвердила, что они почти идентичны расчетной модели.Руководителями проекта были Ян Ся, аспирант Вашингтонского университета в области биологической физики, структуры и дизайна, и Джейкоб Б. Бейл, недавно окончивший докторскую степень по молекулярной и клеточной биологии Университета штата Вашингтон. Программа, а теперь научный сотрудник в Arzeda Corporation в Сиэтле.
Старшими авторами были Нил П. Кинг, исследователь в Институте дизайна белков Университета штата Вашингтон, и Дэвид Бейкер, директор института и профессор биохимии Университета штата Вашингтон. Бейкер также является следователем Медицинского института Говарда Хьюза.«Возможность конструировать белки, которые самоорганизуются в точно заданные, надежные и упорядоченные икосаэдрические структуры, — писали исследователи, — откроет дверь к новому поколению белковых контейнеров со свойствами, специально созданными для интересующих нас приложений».
Среди этих приложений может быть изготовление наноразмерных икосаэдрических транспортных средств. Такое исследование могло бы создать крошечные устройства, похожие на космические корабли, которые могли бы инкапсулировать и доставлять терапию непосредственно к определенным типам клеток, таким как раковые клетки.
Спроектированный икосаэдр, будучи прочным, оказался способен разбираться и собирать себя при определенных условиях окружающей среды. Это обратимое свойство необходимо, если оно в конечном итоге станет частью упаковки, переноски и доставки биохимической полезной нагрузки.
Вдобавок, по словам исследователей, возможность модификации этих миниатюрных клеток «должна иметь большое значение для адресной доставки лекарств, создания вакцин и синтетической биологии».Недавно разработанный икосаэдр имеет значительно больший внутренний объем, чем ранее разработанные наноклетки других форм, и поэтому может вместить больше грузов в виде молекулярных транспортных контейнеров.Работая с этой целью, исследователи смогли спроектировать барьеры для центра каждой из двадцати граней икосаэдра. Они могут блокировать вход и выход молекул из клетки.
В будущих итерациях закрытые клетки могут быть заполнены, чтобы переносить лекарство в определенные типы клеток, а затем выгружать его.Более того, строительные блоки белка, из которых состоит клетка, сохраняют свою естественную ферментативную активность, то есть способность ускорять химические реакции. Это предполагает возможность создания нанореакторов, специально разработанных для катализа определенных биохимических процессов.
Кроме того, наноклетки можно было подвергнуть генетическому слиянию для улучшения их свойств. Например, исследователи создали стандартные свечи для световой микроскопии, добавив флуоресцентный белок к каждой из 60 субъединиц, обрамляющих икосаэдр. Интенсивность флуоресценции была пропорциональна количеству этих белков, прикрепленных к каждой субъединице.
Отличительная форма икосаэдра делает его легко заметным маркером.