(Phys.org) —Un percorso per la costruzione di nanomacchine proteiche progettate per applicazioni specifiche potrebbe essere più vicino alla realtà.

I sistemi biologici producono un'incredibile gamma di autoassemblanti, strumenti proteici funzionali. Alcuni esempi di questi materiali proteici su scala nanometrica sono scaffold per ancorare le attività cellulari, motori molecolari per guidare eventi fisiologici, e capsule per la consegna di virus nelle cellule ospiti.

Gli scienziati ispirati da queste sofisticate macchine molecolari vogliono costruirne di proprie, con forme e funzioni personalizzate per affrontare le sfide moderne.

La capacità di progettare nuove nanostrutture proteiche potrebbe avere utili implicazioni nella somministrazione mirata di farmaci, nello sviluppo di vaccini e nella plasmonica, manipolazione di segnali elettromagnetici per guidare la diffrazione della luce per le tecnologie dell'informazione, produzione di energia o altri usi.

Un metodo computazionale sviluppato di recente può essere un passo importante verso tale obiettivo. Il progetto è stato guidato da Neil King dell'Università di Washington, investigatore traslazionale; Giacobbe Bale, dottorando in Biologia Molecolare e Cellulare; e William Sheffler nel laboratorio di David Baker presso l'Università di Washington Institute for Protein Design, in collaborazione con i colleghi della UCLA e Janelia Farm.

Il lavoro si basa sul pacchetto di modellistica macromolecolare Rosetta sviluppato da Baker e dai suoi colleghi. Il programma è stato originariamente creato per prevedere le strutture proteiche naturali dalle sequenze di amminoacidi. I ricercatori del laboratorio Baker e di tutto il mondo utilizzano sempre più Rosetta per progettare nuove strutture e sequenze proteiche volte a risolvere i problemi del mondo reale.

"Le proteine ​​sono strutture straordinarie che possono fare cose straordinarie, "Re ha detto, "possono rispondere ai cambiamenti nel loro ambiente. L'esposizione a un particolare metabolita o un aumento della temperatura, Per esempio, può innescare un'alterazione nella forma e nella funzione di una particolare proteina." Le persone spesso chiamano le proteine ​​i mattoni della vita.

"Ma a differenza di dire, un tubo in PVC, "Re ha detto, "non sono semplicemente materiale da costruzione." Sono anche operai edili (e demolitori) che accelerano le reazioni chimiche, abbattere il cibo, portando messaggi, interagendo tra loro, e svolgere innumerevoli altri compiti vitali per la vita.

Segnalazione nel numero del 5 giugno di Natura , i ricercatori descrivono lo sviluppo e l'applicazione del nuovo software Rosetta che consente la progettazione di nuovi nanomateriali proteici composti da più copie di distinte subunità proteiche, che si dispongono in ordine superiore, architetture simmetriche.

Con il nuovo software gli scienziati sono stati in grado di creare cinque romanzi, Nanomateriali proteici a gabbia di 24 subunità. È importante sottolineare che le strutture reali, i ricercatori hanno osservato, erano in stretto accordo con la loro modellazione al computer.

Il loro metodo dipende dalla codifica di coppie di sequenze di aminoacidi proteici con le informazioni necessarie per dirigere l'assemblaggio molecolare attraverso le interfacce proteina-proteina. Le interfacce non solo forniscono le forze energetiche che guidano il processo di assemblaggio, inoltre orientano con precisione le coppie di elementi costitutivi delle proteine ​​con la geometria richiesta per ottenere le architetture simmetriche a gabbia desiderate.

Creando questa proteina a forma di gabbia, gli scienziati hanno detto, potrebbe essere un primo passo verso la costruzione di contenitori su scala nanometrica. King ha detto che non vede l'ora che arrivi il momento in cui le molecole di farmaci antitumorali saranno confezionate all'interno di nanogabbie progettate e consegnate direttamente alle cellule tumorali, risparmiando le cellule sane.

"Il problema oggi con la chemioterapia antitumorale è che colpisce ogni cellula e fa stare male il paziente, " ha detto King. Imballaggio dei farmaci all'interno di nanoveicoli personalizzati con opzioni di parcheggio limitate ai siti di cancro potrebbe aggirare gli effetti collaterali.

Gli scienziati notano che combinando solo due tipi di elementi di simmetria, come in questo studio, può in teoria dare origine a una gamma di forme simmetriche, come gruppi di punti cubici, eliche, strati, e cristalli.

King ha spiegato che il sistema immunitario risponde a ripetitivi, modelli simmetrici, come quelli sulla superficie di un virus o di un batterio patogeno. La costruzione di nanoesche può essere un modo per addestrare il sistema immunitario ad attaccare determinati tipi di agenti patogeni.

"Questo concetto può diventare la base per vaccini basati su nanomateriali ingegnerizzati, " disse King. Più avanti lungo la strada, lui e Bale anticipano che questi metodi di progettazione potrebbero essere utili anche per lo sviluppo di nuove tecnologie energetiche pulite.

Gli scienziati hanno aggiunto nel loro rapporto, "Il controllo preciso sulla geometria dell'interfaccia offerto dal nostro metodo consente la progettazione di nanomateriali proteici a due componenti con diverse caratteristiche su scala nanometrica, come superfici, pori, e volumi interni, con grande precisione."

Hanno continuato affermando che le combinazioni possibili con materiali a due componenti ampliano notevolmente il numero e la varietà di potenziali nanomateriali che potrebbero essere progettati.

Potrebbe essere possibile produrre nanomateriali in una varietà di dimensioni, forme e disposizioni, e passare anche alla costruzione di materiali sempre più complessi da più di due componenti.

I ricercatori hanno sottolineato che l'obiettivo a lungo termine di tali strutture non deve essere statico. La speranza è che imitino o vadano oltre le prestazioni dinamiche degli assemblaggi proteici naturali, e che alla fine potrebbero essere fabbricate nuove macchine proteiche molecolari con funzioni programmabili.

I ricercatori hanno sottolineato che sebbene la progettazione di proteine ​​e nanomateriali a base proteica sia molto impegnativa a causa della relativa complessità delle strutture e delle interazioni proteiche, ora ci sono più di una manciata di laboratori in tutto il mondo che stanno facendo passi da gigante in questo campo. Ciascuno dei principali contributori ha punti di forza chiave, loro hanno detto. I punti di forza del team UW sono nell'accuratezza della corrispondenza delle proteine ​​progettate ai modelli computazionali e nella prevedibilità dei risultati.