L'antica arte della piegatura della carta nota come origami viene utilizzata per creare uccelli intricati o altre forme. Ispirato dal lavoro di DNA origami, in cui le nanostrutture sono costituite dal piegamento del DNA, un team di ingegneri della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis ha trovato un nuovo modo per creare nanostrutture proteiche a catena singola utilizzando tecniche di biologia sintetica e assemblaggio di proteine.

Il team ha creato nanostrutture, a forma di triangoli e quadrati, utilizzando blocchi di proteine ​​stabili. Queste nanostrutture proteiche possono resistere a temperature elevate e condizioni chimiche difficili, entrambi i quali non sono possibili con le nanostrutture a base di DNA. Nel futuro, queste nanostrutture proteiche potrebbero essere utilizzate per migliorare le capacità di rilevamento, velocizzare le reazioni chimiche, nella somministrazione di farmaci e in altre applicazioni.

Quando si cerca di creare nanostrutture proteiche adatte ad applicazioni particolari, i ricercatori in genere apportano modifiche alle strutture proteiche esistenti, come particelle virali. Però, le forme delle nanostrutture che possono essere realizzate con questo approccio sono limitate a ciò che la natura offre. Ora, Fuzhong Zhang, professore associato di energia, ingegneria ambientale e chimica, e i membri del suo laboratorio hanno sviluppato un approccio dal basso verso l'alto per costruire nanostrutture 2-D, essenzialmente partendo da zero.

"Costruire qualcosa che la natura non ha offerto è più emozionante, " ha detto Zhang. "Abbiamo preso proteine ​​​​piegate individualmente e le abbiamo usate come mattoni, poi li abbiamo assemblati insieme pezzo per pezzo in modo da poter creare nanostrutture su misura".

I risultati del lavoro sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura 25 luglio.

Utilizzando approcci di biologia sintetica, Il team di Zhang ha prima biosintetizzato i mattoni proteici a forma di bastoncino, simile nella forma a una matita ma lungo solo 12 nanometri.

Quindi, hanno collegato questi elementi costitutivi insieme attraverso domini proteici reattivi che sono stati geneticamente fusi alle estremità di ciascuna delle aste, formare triangoli con tre aste e quadrati con quattro aste. Questi domini proteici reattivi sono noti come inteine ​​divise, che non sono nuovi al laboratorio di Zhang:sono gli stessi strumenti che il suo gruppo usa per produrre seta di ragno sintetica ad alta resistenza e repliche sintetiche delle proteine ​​adesive del piede di cozza.

In entrambi i casi, questi gruppi di inteine ​​scissi consentono la produzione di grandi proteine ​​che rendono la seta di ragno sintetica più dura e più forte e le proteine ​​del piede di cozza più appiccicose. In questo caso, consentono la costruzione di nuove nanostrutture.

Il team di Zhang ha lavorato con Rohit Pappu, l'Edwin H. Murty Professore di Ingegneria, professore di ingegneria biomedica ed esperto di biofisica delle proteine ​​intrinsecamente disordinate, transizioni di fase e ripiegamento delle proteine. Sia Zhang che Pappu sono membri del Centro universitario per la scienza e l'ingegneria dei sistemi viventi (CSELS).

"Laboratorio del professor Pappu, in particolare l'ex borsista postdottorato Jeong-Mo Choi, ci ha aiutato a capire come la sequenza proteica alle connessioni determina la flessibilità di queste nanostrutture e ci ha aiutato a prevedere le sequenze proteiche per controllare meglio la flessibilità e la geometria delle nanostrutture, "Ha detto Zhang. "La collaborazione tra il mio laboratorio di biologia sintetica e il laboratorio di modellazione biofisica del professor Pappu si è dimostrata molto produttiva".

La collaborazione ha semplificato un processo molto complesso.

"Una volta compresa la strategia di progettazione, il lavoro è abbastanza semplice e abbastanza divertente da fare, " ha detto Zhang. "Abbiamo appena controllato i diversi gruppi funzionali, poi controllavano le forme."

Grazie alla versatile funzionalità delle proteine, queste nanostrutture potrebbero essere potenzialmente utilizzate come scaffold per assemblare vari nanomateriali. Per testare questa idea, il team ha assemblato nanoparticelle d'oro da 1 nanometro proprio ai vertici del triangolo. Utilizzando un microscopio elettronico all'avanguardia nell'Istituto di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'università, erano visibili sia i triangoli proteici che le nanoparticelle d'oro assemblate ai vertici dei triangoli.

Per testare la stabilità di queste nanostrutture proteiche, il team li ha esposti ad alte temperature, fino a 98 gradi Celsius, a sostanze chimiche come guanidio cloridrato, e a solventi organici come l'acetone. Mentre queste condizioni generalmente distruggono le strutture proteiche, le strutture del laboratorio di Zhang sono rimaste intatte. Questa ultra-stabilità potrebbe consentire più applicazioni su scala nanometrica che sono difficili o non possibili utilizzando nanostrutture fatte di DNA o altre proteine, ha detto Zhang.

Prossimo, il team sta lavorando con Srikanth Singamaneni, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e membro del CSELS, utilizzare queste nanostrutture proteiche per sviluppare sensori plasmonici migliorati.

"Sfruttare l'interazione tra blocchi strutturali altamente stabili e regioni intrinsecamente disordinate o flessibili fornisce un nuovo percorso per la progettazione di nanostrutture con caratteristiche personalizzabili per una varietà di applicazioni nella biologia sintetica e nelle scienze biomediche, "Ha detto Pappu. "Questa è una delle maggiori spinte del nostro centro come si evince dalle sinergie tra tre diversi laboratori che fanno parte del centro".