Científicos del Instituto de Tecnología de Tokio, RIKEN, y el Instituto de Tecnología de Kyoto han aplicado un diseño de cristal racional para crear cristales de proteínas con una red porosa extendida para acumular moléculas exógenas dentro de las células vivas. Este trabajo sienta las bases para la ingeniería de materiales porosos cristalinos autoensamblados estables que pueden concentrar y preservar sustancias bioactivas en varios tipos de células.

En naturaleza, las proteínas se ensamblan en estructuras sofisticadas y altamente ordenadas, que les permiten ejecutar numerosas funciones que apoyan diferentes formas de vida. El exquisito diseño de las proteínas naturales llevó a los científicos a explotarlo en biología sintética para diseñar moléculas que puedan autoensamblarse en nanopartículas con la estructura deseada y que puedan usarse para diversos fines, como el almacenamiento de gas, catálisis enzimática, suministro intracelular de fármacos, etc.

Los virus de la poliedrosis citoplasmática (cypovirus) que infectan a los insectos están incrustados en cristales de proteína llamados poliedros que protegen al virus del daño. La estructura de los cristales de poliedros (PhC) sugiere que pueden servir como contenedores robustos que pueden incorporar y proteger moléculas extrañas de la degradación. asegurando su estabilidad compositiva y funcional.

Resumen de los logros de la investigación

La estabilidad extrema de los poliedros en condiciones adversas es proporcionada por el empaque denso de monómeros de poliedrina en cristales con canales de solvente de muy baja porosidad. cuales, sin embargo, limita la incorporación de partículas extrañas. El grupo de investigación dirigido por Satoshi Abe y Takafumi Ueno en el Instituto de Tecnología de Tokio planteó la hipótesis de que si un marco poroso dentro de los PhC se extiende sin comprometer la estabilidad del cristal, Los PhC se pueden utilizar para la acumulación y almacenamiento de moléculas exógenas en células vivas. Como en los PhC naturales, los monómeros de polihedrina forman un trímero, los científicos asumieron que si se eliminan los residuos de aminoácidos en la interfaz de contacto de cada trímero, aumentaría la porosidad de los cristales resultantes. Para alcanzar esta meta, ellos diseñaron genéticamente monómeros de poliedrina, que luego fueron expresados ​​y autoensamblados en Spodoptera frugiperda IPLB-Sf21AE, la larva de una polilla cogollera, infectado con baculovirus. Los PhC mutantes mantuvieron la red cristalina del PhC de tipo salvaje pero tenían una porosidad significativamente extendida (Figura) debido a la eliminación de residuos de aminoácidos con la reordenación de enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares. Como resultado, los cristales diseñados podrían adsorber de 2 a 4 veces más moléculas exógenas (tintes fluorescentes) en comparación con el PhC de tipo salvaje, con hasta 5, Condensación de 000 veces de los colorantes de la solución 10 uM.

Como siguiente paso, los científicos examinaron el rendimiento de los cristales mutantes en células de insectos vivos. Los PhC mostraron una alta estabilidad en el entorno intracelular. Más importante, los cristales mutantes podrían acumularse y retener los tintes en células vivas, mientras que los cristales naturales no pudieron.

El diseño de cristal racional utilizado por los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio proporciona una herramienta poderosa para la manipulación estructural de cristales de proteínas autoensamblados para obtener nanomateriales porosos con propiedades de adsorción reguladas. Los PhC porosos manipulados pueden usarse como contenedores de proteínas para el análisis de la estructura cristalina in vivo de las moléculas celulares y la química bioortogonal en varios tipos de células vivas.

Análisis estructural de microcristales

Dado que se obtuvieron pequeños cristales con un tamaño de solo unas pocas micras, los análisis de la estructura se realizaron en las líneas de luz BL32XU y BL41XU en SPring-8, una gran instalación de radiación de sincrotrón que proporciona la radiación de sincrotrón más potente. Las estructuras de alta resolución se analizaron rápidamente con la ayuda de un sistema de recopilación de datos automatizado desarrollado en RIKEN.