Dodano: 08 sierpień 2019r.

Złoty klej spaja nanoklatki „przeczące” logice

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie potwierdzili istnienie „złotego kleju” - typu wiązań obejmującego atomy złota zdolne do trwałego łączenia pierścieni białkowych. Wiązania te, umiejętnie wykorzystane przez międzynarodowy zespół naukowców, umożliwiły budowę molekularnych nanoklatek o strukturze niespotykanej dotąd ani w naturze, ani nawet w matematyce.

 

Świat nauki od lat interesuje się klatkami molekularnymi. Nie bez powodu. Cząsteczki chemiczne, w tym te, które w normalnych warunkach chętnie wchodzą w reakcje chemiczne, mogą być zamknięte w ich pustych wnętrzach. Cząsteczki zamkniętego związku, oddzielone ścianami klatki od środowiska, nie mają z czym się wiązać. Klatki te można zatem wykorzystać na przykład do bezpiecznego transportu leków do komórki rakowej, uwalniając lek wtedy, gdy się w nim znajdą.

Klatki molekularne to wielościany zbudowane z mniejszych „cegiełek”, zwykle cząsteczek białka. Ich kształt nie może być dowolny. Na przykład, jeśli chcielibyśmy zbudować wielościan molekularny przy użyciu tylko obiektów o obrysie trójkąta równobocznego, geometria ograniczyłaby nas tylko do trzech postaci bryłowych: czworościanu, ośmiościanu lub dwudziestościanu. Jak dotąd nie było innych możliwości strukturalnych.

 

- Na szczęście platoński idealizm nie jest dogmatem fizycznego świata. Jeśli zaakceptuje się pewne niedokładności w budowanej bryle, można tworzyć konstrukcje o kształtach niespotykanych w naturze, na dodatek charakteryzujące się bardzo ciekawymi właściowościami – powiedział dr Tomasz Wróbel z krakowskiego Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN), cytowany na stronach internetowych instytucji.

Dr Wrobel jest jednym z członków międzynarodowego zespołu naukowców, którzy niedawno dokonali „niemożliwego”: zbudowali klatkę podobną do kuli z jedenastościennych białek. Głównymi autorami tego spektakularnego sukcesu są naukowcy z grupy prof. Jonathana Heddle'a z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i japońskiego Instytutu RIKEN. Prace opisane w prestiżowym piśmie "Nature" odbyły się z udziałem naukowców z uniwersytetów w Osace i Tsukuba (Japonia), Durham (Wielka Brytania), Waterloo (Kanada) i innych ośrodków badawczych.

Każda ze ścian nowych nanoklatek została utworzona przez pierścień białkowy, z którego jedenaście cząsteczek cysteiny wystaje w regularnych odstępach. To właśnie do atomu siarki znajdującego się w każdej cząsteczce cysteiny planowano dołączyć „klej”, tj. atom złota. W odpowiednich warunkach mógłby wiązać się z jeszcze jednym atomem siarki w cysteinie następnego pierścienia. W ten sposób powstałoby trwałe wiązanie chemiczne między dwoma pierścieniami. Ale czy w tych warunkach złoty atom naprawdę byłby w stanie utworzyć wiązanie między pierścieniami?

- W Laboratorium Obrazowania Spektroskopowego IFJ PAN użyliśmy spektroskopii ramanowskiej oraz rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów i wykazaliśmy, że w przekazanych nam próbkach z testowymi nanoklatkami złoto rzeczywiście tworzy wiązania z atomami siarki w cysteinach. Innymi słowy: w trudnym, bezpośrednim pomiarze udowodniliśmy, że złoty „klej” do spajania pierścieni białkowych w klatki naprawdę istnieje - wyjaśnił dr Wróbel.

Każdy atom złota można traktować jako samodzielny klips, spinkę, która umożliwia dołączenie kolejnego pierścienia. Droga do „niemożliwego” zaczyna się, gdy zdamy sobie sprawę, że nie zawsze musimy używać wszystkich spinek. Tak więc, chociaż wszystkie pierścienie nowych nanoklatek są fizycznie takie same, w zależności od ich miejsca w strukturze, łączą się z sąsiadami inną liczbą atomów złota, a zatem funkcjonują jako wielokąty o różnej liczbie wierzchołków. 24 ściany nanoklatek przedstawione w badaniu utrzymywane były razem przez 120 atomów złota. Zewnętrzna średnica klatek wynosiła 22 nanometry, a wewnętrzna 16 nm.

Wykorzystanie atomów złota jako spoiwa w nanoklatkach jest również ważne ze względu na możliwe zastosowania. We wcześniejszych strukturach molekularnych białka były sklejane przy użyciu wielu słabych wiązań chemicznych. Złożoność wiązań i ich podobieństwo do wiązań odpowiedzialnych za istnienie samych pierścieni białkowych nie pozwoliły na precyzyjną kontrolę rozkładu klatek. Nie dotyczy to nowych struktur. Z jednej strony nanoklatki związane złotem są stabilne chemicznie i termicznie (na przykład wytrzymują wielogodzinne gotowanie w wodzie). Z drugiej jednak strony wiązania z udziałem złota są wrażliwe na wzrost kwasowości. Dzięki wzrostowi kwasowości nanoklatka może być rozkładana w kontrolowany sposób, a zawartość uwalniana do środowiska. Ponieważ kwasowość w komórkach jest większa niż na zewnątrz, nanoklatki związane złotem są idealne do zastosowań biomedycznych.

„Niemożliwa” nanoklatka to prezentacja jakościowo nowego podejścia do konstruowania klatek molekularnych, z atomami złota w roli luźnych spinaczy. Zademonstrowana elastyczność „złotych” wiązań pozwoli w przyszłości tworzyć nanoklatki o rozmiarach i cechach precyzyjnie dopasowanych do konkretnych potrzeb.

 

Źródło: IFJ PAN, fot. UJ, IFJ PAN. Na zdjęciu molekularna nanoklatka z 24 pierścieni białkowych, z których każdy ma budowę jedenastoboku. Pierścienie są spajane wiązaniami z udziałem atomów złota, tu zaznaczonych na żółto. W zależności od położenia w strukturze, nie wszystkie atomy złota muszą są używane do przyłączania sąsiednich białek - atom niewykorzystany zaznaczono na czerwono.