El objetivo de la investigación, publicado el 11 de julio en la revista Naturaleza , era diseñar proteínas artificiales para que se autoensamblaran en la superficie de un cristal creando una coincidencia exacta entre el patrón de aminoácidos en la proteína y los átomos del cristal. La capacidad de programar estas interacciones podría permitir el diseño de nuevos materiales biomiméticos con colores personalizados, reactividad química o propiedades mecánicas, o para servir como andamios para filtros a nanoescala, células solares o circuitos electrónicos.

"La biología tiene una capacidad asombrosa para organizar la materia desde la escala atómica hasta las ballenas azules, "dijo el co-primer autor Harley Pyles, estudiante de posgrado en el Instituto de Diseño de Proteínas de la UW Medicine. "Ahora, utilizando diseño de proteínas, podemos crear biomoléculas completamente nuevas que se ensamblan desde escalas de longitud atómica a milimétrica. En este caso, la mica, un cristal natural, actúa como una gran placa base de Lego sobre la que estamos ensamblando nuevas arquitecturas de proteínas ".

El diseño de las nuevas moléculas de unión a minerales se inspiró en proteínas que interactúan con el hielo. A escala molecular, el hielo es plano y contiene un patrón atómicamente preciso de moléculas de agua rígidas. En naturaleza, las proteínas coinciden con estos patrones para permitirles adherirse al hielo.

El equipo utilizó un diseño molecular computacional para diseñar nuevas proteínas con patrones personalizados de carga eléctrica en sus superficies. como si fueran bloques de Lego de tamaño nanométrico perfectamente adaptados a la placa base de mica. Los genes sintéticos que codifican estas proteínas de diseño se colocaron dentro de las bacterias, que luego produjo en masa las proteínas en el laboratorio.

Los investigadores encontraron que diferentes diseños formaban diferentes patrones en la superficie de la mica. Al rediseñar partes de las proteínas, el equipo pudo producir celosías en forma de panal en las que pudieron sintonizar digitalmente los diámetros de los poros con solo unos pocos nanómetros, que es aproximadamente el ancho de una sola molécula de doble hélice de ADN.

"Este es un hito en el estudio de las interfaces proteína-material, "dijo David Baker, director del IPD, profesor de bioquímica en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y coautor principal de la investigación. "Logramos un grado de orden sin precedentes al diseñar unidades que se autoensamblan en filas alineadas de nanobarras, celosías hexagonales precisas y exquisitos nanocables de una sola molécula de ancho ".

La investigación fue posible gracias al uso de microscopía de fuerza atómica, que usa una pequeña aguja para mapear superficies moleculares, muy parecido a cómo la aguja de un tocadiscos lee información en las ranuras de un disco de vinilo. Los resultados de AFM muestran que las arquitecturas formadas por las proteínas están controladas por un sutil equilibrio entre las interacciones diseñadas con la superficie de la mica y las fuerzas que solo aparecen cuando un gran número de proteínas actúan en concierto. como troncos en un río.

"Aunque diseñamos interacciones específicas a nivel atómico, obtenemos estas estructuras, en parte, porque las proteínas son desplazadas por el agua y se ven obligadas a compactarse, "dijo James De Yoreo, científico de materiales en PNNL y codirector de NW IMPACT, un esfuerzo de investigación conjunto entre PNNL y la UW para impulsar descubrimientos y avances en materiales. "Este fue un comportamiento inesperado y demuestra que necesitamos comprender mejor el papel del agua en el ordenamiento de proteínas en sistemas a escala molecular".

Ser capaz de crear celosías y filamentos de proteínas funcionales desde cero también podría permitir la creación de materiales completamente nuevos. a diferencia de cualquiera que se encuentre en la naturaleza. Los hallazgos podrían conducir a nuevas estrategias para sintetizar circuitos de nanopartículas metálicas y semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas o de almacenamiento de energía. O alternativamente, los panales de proteínas podrían usarse como filtros extremadamente precisos, según el co-primer autor Shuai Zhang, investigador postdoctoral en PNNL. "Los poros serían lo suficientemente pequeños como para filtrar los virus del agua potable o filtrar las partículas del aire, "dijo Zhang.

El diseño y la síntesis de proteínas formadoras de celosías en forma de panal fueron apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE, y las imágenes y el análisis de AFM fueron apoyados por el Centro para la Ciencia de la Síntesis a Traves de Escalas, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía respaldado por el DOE. El diseño y la síntesis de nanobarras y nanocables de proteínas fueron financiados por el Fondo de Donaciones para la Investigación de IPD, Fundación de Investigación Médica Michelson, y Fondo de Iniciativa de Diseño de Proteínas. El desarrollo de protocolos de imágenes AFM fue apoyado por síntesis de materiales y simulaciones a través de escalas, una iniciativa financiada internamente en PNNL.

Los investigadores han creado proteínas sintéticas, se muestra en naranja, that form honeycomb-like structures on the atomic surface of mica, shown here as tan spheres.