Scienziati del Tokyo Institute of Technology, RIKEN, e il Kyoto Institute of Technology hanno applicato un design razionale dei cristalli per creare cristalli proteici con una rete porosa estesa per accumulare molecole esogene all'interno delle cellule viventi. Questo lavoro pone le basi per l'ingegneria di materiali porosi cristallini autoassemblanti stabili che possono concentrare e preservare le sostanze bioattive in vari tipi di cellule.

In natura, le proteine ​​sono assemblate in strutture sofisticate e altamente ordinate, che consentono loro di svolgere numerose funzioni a supporto di diverse forme di vita. Lo squisito design delle proteine ​​naturali ha spinto gli scienziati a sfruttarlo nella biologia sintetica per ingegnerizzare molecole che possono autoassemblarsi in nanoparticelle con la struttura desiderata e che possono essere utilizzate per vari scopi come lo stoccaggio di gas, catalisi enzimatica, somministrazione intracellulare di farmaci, eccetera.

I virus della poliedrosi citoplasmatica (cypovirus) che infettano gli insetti sono incorporati in cristalli proteici chiamati poliedri che proteggono il virus dai danni. La struttura dei cristalli di poliedri (PhC) suggerisce che possono fungere da contenitori robusti in grado di incorporare e proteggere le molecole estranee dalla degradazione, garantendone la stabilità compositiva e funzionale.

Panoramica dei risultati della ricerca

L'estrema stabilità dei poliedri in condizioni difficili è fornita dall'impaccamento denso di monomeri di poliedrina in cristalli con canali del solvente di porosità molto bassa, quale, però, limita l'incorporazione di particelle estranee. Il gruppo di ricerca guidato da Satoshi Abe e Takafumi Ueno al Tokyo Institute of Technology ha ipotizzato che se una struttura porosa all'interno dei PhCs viene estesa senza compromettere la stabilità dei cristalli, I PhC possono essere utilizzati per l'accumulo e lo stoccaggio di molecole esogene nelle cellule viventi. Come nei PhC naturali, i monomeri di poliedrina formano un trimero, gli scienziati hanno ipotizzato che se i residui di amminoacidi all'interfaccia di contatto di ciascun trimero vengono eliminati, la porosità dei cristalli risultanti sarebbe aumentata. Per raggiungere questo obiettivo, hanno geneticamente ingegnerizzato monomeri di poliedrina, che sono stati poi espressi e autoassemblati in Spodoptera frugiperda IPLB-Sf21AE, la larva di un tarlo dell'esercito, infettato da baculovirus. I PhC mutanti hanno mantenuto il reticolo cristallino del PhC wild-type ma avevano una porosità significativamente estesa (Figura) a causa dell'eliminazione dei residui di amminoacidi con il riarrangiamento dei legami idrogeno intra- e intermolecolari. Di conseguenza, i cristalli ingegnerizzati potrebbero adsorbire 2-4 volte più molecole esogene (coloranti fluorescenti) rispetto al PhC di tipo selvatico, con un massimo di 5, Condensazione di 000 volte dei coloranti dalla soluzione 10 uM.

Come passo successivo, gli scienziati hanno esaminato le prestazioni dei cristalli mutanti nelle cellule di insetti viventi. I PhC hanno mostrato un'elevata stabilità nell'ambiente intracellulare. Più importante, i cristalli mutanti potrebbero accumularsi e trattenere i coloranti nelle cellule vive, mentre i cristalli naturali no.

Il design razionale dei cristalli utilizzato dagli scienziati del Tokyo Institute of Technology fornisce un potente strumento per la manipolazione strutturale di cristalli proteici autoassemblati per ottenere nanomateriali porosi con proprietà di adsorbimento regolate. I PhC porosi ingegnerizzati possono essere utilizzati come contenitori proteici per l'analisi in vivo della struttura cristallina delle molecole cellulari e la chimica bioortogonale in vari tipi di cellule viventi.

Analisi strutturale dei microcristalli

Poiché sono stati ottenuti minuscoli cristalli con dimensioni di pochi micron, le analisi della struttura sono state eseguite alle linee di luce BL32XU e BL41XU a SPring-8, un grande impianto di radiazione di sincrotrone che eroga la radiazione di sincrotrone più potente. Le strutture ad alta risoluzione sono state analizzate rapidamente con l'aiuto di un sistema di raccolta dati automatizzato sviluppato in RIKEN.