L'obiettivo della ricerca, pubblicato l'11 luglio sulla rivista Natura , consisteva nell'ingegnerizzare proteine ​​artificiali per autoassemblarsi su una superficie di cristallo creando una corrispondenza esatta tra il modello di amminoacidi nella proteina e gli atomi del cristallo. La capacità di programmare queste interazioni potrebbe consentire la progettazione di nuovi materiali biomimetici con colori personalizzati, reattività chimica o proprietà meccaniche, o per fungere da impalcature per filtri su nanoscala, celle solari o circuiti elettronici.

"La biologia ha una straordinaria capacità di organizzare la materia dalla scala atomica fino alle balene blu, " ha detto il co-primo autore Harley Pyles, uno studente laureato presso l'Istituto di Medicina UW per la progettazione delle proteine. "Ora, utilizzando il design delle proteine, possiamo creare biomolecole completamente nuove che si assemblano da scale di lunghezza atomica a millimetrica. In questo caso, mica, un cristallo naturale, agisce come una grande piastra di base Lego sulla quale stiamo assemblando nuove architetture proteiche".

Il design delle nuove molecole che legano i minerali è stato ispirato dalle proteine ​​che interagiscono con il ghiaccio. A scala molecolare, il ghiaccio è piatto e contiene uno schema atomicamente preciso di molecole d'acqua rigide. In natura, le proteine ​​corrispondono a questi schemi per consentire loro di aderire al ghiaccio.

Il team ha utilizzato la progettazione molecolare computazionale per progettare nuove proteine ​​con modelli personalizzati di carica elettrica sulle loro superfici, come se fossero blocchi Lego di dimensioni nanometriche perfettamente abbinati alla piastra di base in mica. I geni sintetici che codificano queste proteine ​​di design sono stati collocati all'interno di batteri, che poi ha prodotto in massa le proteine ​​in laboratorio.

I ricercatori hanno scoperto che diversi disegni formavano modelli diversi sulla superficie della mica. Ridisegnando parti delle proteine, il team è stato in grado di produrre reticoli a nido d'ape in cui è stato possibile regolare digitalmente i diametri dei pori di pochi nanometri, che è circa la larghezza di una singola molecola a doppia elica di DNA.

"Questa è una pietra miliare nello studio delle interfacce proteina-materiale, "ha detto David Baker, direttore dell'IPD, un professore di biochimica presso la University of Washington School of Medicine e co-autore senior della ricerca. "Abbiamo raggiunto un grado di ordine senza precedenti progettando unità che si autoassemblano in file allineate di nanobarre, reticoli esagonali precisi e squisiti nanofili larghi a singola molecola."

La ricerca è stata resa possibile dall'uso della microscopia a forza atomica, che utilizza un minuscolo ago per mappare le superfici molecolari, proprio come la puntina di un giradischi legge le informazioni nei solchi di un disco in vinile. I risultati dell'AFM mostrano che le architetture formate dalle proteine ​​sono controllate da un sottile equilibrio tra le interazioni progettate con la superficie della mica e le forze che appaiono solo quando un gran numero di proteine ​​agisce di concerto, come tronchi su un fiume.

"Anche se abbiamo progettato interazioni specifiche a livello atomico, otteniamo queste strutture, in parte, perché le proteine ​​sono affollate dall'acqua e sono costrette a impacchettarsi insieme, " ha detto James De Yoreo, scienziato dei materiali al PNNL e co-direttore di NW IMPACT, uno sforzo di ricerca congiunto tra PNNL e UW per alimentare scoperte e progressi nei materiali. "Questo è stato un comportamento inaspettato e dimostra che dobbiamo comprendere meglio il ruolo dell'acqua nell'ordinare le proteine ​​nei sistemi su scala molecolare".

Essere in grado di creare filamenti e reticoli proteici funzionali da zero potrebbe anche consentire la creazione di materiali completamente nuovi, diverso da quello che si trova in natura. I risultati potrebbero portare a nuove strategie per sintetizzare semiconduttori e circuiti di nanoparticelle metalliche per applicazioni fotovoltaiche o di accumulo di energia. O in alternativa, i favi proteici potrebbero essere utilizzati come filtri estremamente precisi, secondo il co-primo autore Shuai Zhang, un ricercatore post-dottorato al PNNL. "I pori sarebbero abbastanza piccoli da filtrare i virus dall'acqua potabile o filtrare il particolato dall'aria, " disse Zhang.

La progettazione e la sintesi di proteine ​​che formano reticolo a nido d'ape è stata supportata dall'Office of Science del DOE, e l'imaging e l'analisi AFM sono stati supportati dal Center for the Science of Synthesis Across Scales, un centro di ricerca Energy Frontier supportato dal DOE. La progettazione e la sintesi di nanobarre e nanofili proteici è stata supportata dall'IPD Research Gift Fund, Fondazione di ricerca medica Michelson, e il Fondo per l'iniziativa sulla progettazione delle proteine. Lo sviluppo di protocolli di imaging AFM è stato supportato da Materials Synthesis e Simulations Across Scales, un'iniziativa finanziata internamente al PNNL.

Researchers have created synthetic proteins, shown in orange, that form honeycomb-like structures on the atomic surface of mica, shown here as tan spheres.