Dodano: 09 maj 2019r.

Polacy zbudowali białkową klatkę o „niemożliwej” geometrii

Międzynarodowy zespół naukowców, w którym znaleźli się uczeni z Uniwersytetu Jagiellońskiego, stworzył klatkę białkową – nanoskalową strukturę, która może być wykorzystana do dostarczania leków do określonych miejsc w organizmie. Co ciekawe, geometria klatki wydaje się być sprzeczna z prawami matematyki.

 

Stworzona przez badaczy struktura o średnicy 22 nanometrów jest niezwykle trwała – wytrzyma gotowanie w wodzie przez kilka godzi i jest odporna na działanie kwasów i zasad. Dodatkowo łatwo można ją zmontować i zdemontować.

Naukowcy liczą na to, że w takich klatkach będzie można dostarczać do komórek potrzebne substancje i w kontrolowanych warunkach je uwalniać. We wnętrzu białkowej klatki - o wielkości zbliżonej do wirusa - można zamknąć niezwykłe skarby. Zmieści się tam nawet kilkadziesiąt cząsteczek białka, kwasy nukleinowe czy np. leki.

Wyniki praz zaprezentowano w piśmie „Nature”.

 

Naukowcy są zainteresowani wytwarzaniem sztucznych klatek białkowych w nadziei na przekazanie im przydatnych i nowych właściwości. Osiągnięcie tego celu to dwa wyzwania. Pierwszym z nich jest problem z geometrią - niektóre białka mogą mieć wielką użyteczność, ale są automatycznie wykluczane, ponieważ mają niewłaściwy kształt do montażu w klatkach. Drugim problemem jest złożoność - większość interakcji białko-białko pośredniczy przez złożone sieci słabych wiązań chemicznych, które są bardzo trudne do zaprojektowania od zera.

Badania rozpoczęły się w Heddle Initiative Research Unit w RIKEN w Japonii i zostały przeniesione do Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Naukowcy znaleźli sposób na rozwiązanie obu problemów.

Już samo wyprodukowanie sztucznego białka jest sztuką. Ale to nie wszystko, co udało się międzynarodowemu zespołowi pokazać. Okazuje się, że białkowe podjednostki tworzące tę strukturę nie są ze sobą sklejone ani splątane, jak to zwykle w białkach bywa. Połączone są ze sobą bardzo elegancko - jedynie dzięki wiązaniom z jonów złota. Dzięki temu z białek takich łatwiej wytwarzać struktury o kontrolowanych kształtach.

- Udało nam się zastąpić złożone interakcje między białkami prostymi „zszywkami” opartymi na pojedynczych atomach złota – wyjaśnił kierujący badaniami profesor Jonathan Heddle. - Upraszcza to problem projektowy i pozwala nam nasycić klatki nowymi właściwościami – dodał.

Badacze znaleźli również sposób na obejście problemu geometrycznego. - Elementy składowe naszej klatki białkowej są 11-kątnymi pierścieniami - powiedział Ali Malay, pierwszy autor artykułu z RIKEN Center for Sustainable Resource Science. Badacz dodał, że dla matematyków taki obiekt może wydawać się niemożliwy do wykonania.

- Geometria tej klatki jest sprzeczna z prawami matematyki – stwierdził w rozmowie z Polską Agencją Prasową współautor badania dr Artur Biela z UJ. Wyjaśnił też, że białkowa klatka składa się z 24 jednakowych 11-kątnych pierścieni białkowych połączonych jonami złota.

Matematyk powiedziałby, że taki 24-ścian, jaki zaprezentowali uczeni może i da się złożyć z 24 pięciokątów, ale nie z samych 11-kątów. 11-kąty bowiem to nie są figury, które wystarczą, aby zbudować wielościan. Co jednak nie jest możliwe w sztywnym świecie matematyki, jest - jak się okazuje - możliwe do wykonania w świecie giętkich białek.

Naukowcy odkryli, że dzięki naturalnej elastyczności kompleksy białkowe mogą osiągać niespotykane dotąd konstrukcje oparte na niemal doskonałych zbieżnościach geometrycznych. Elastyczność białek sprawia, że drobne nieregularności, jakie w bryle występują, udaje się łatwo zatuszować. – Teraz możemy rozważać skorzystanie z białek, które zostały wcześniej zignorowane ze względu na „zły” kształt – przyznał Malay.

Zaprojektowana przez zespół białkowa „złota klatka” składa się z 264 jednakowych białek (TRAP) spiętych w 11-kątne pierścienie. 24 takie pierścienie łączy ze sobą 120 złotych „zszywek” - pojedynczych jonów złota. W dalszych badaniach uczeni chcą modyfikować swoje białkowe "złote klatki" tak, by nadawać im kolejne pożądane właściwości. Np. takie, które bezpiecznie zaprowadzą taką białkową szkatułkę w pożądane miejsce w organizmie i w odpowiednim momencie ją otworzą.

 

Źródło: Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ, PAP, fot. Heddle Lab/ UJ/ PAP