El antiguo arte del plegado de papel conocido como origami se utiliza para hacer pájaros intrincados u otras formas. Inspirado en el trabajo del origami de ADN, en el que las nanoestructuras están hechas de ADN plegable, un equipo de ingenieros de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha encontrado una nueva forma de crear nanoestructuras de proteínas monocatenarias mediante el uso de biología sintética y técnicas de ensamblaje de proteínas.

El equipo creó nanoestructuras, en forma de triángulos y cuadrados, utilizando bloques de construcción de proteínas estables. Estas nanoestructuras de proteínas pueden soportar altas temperaturas y duras condiciones químicas, ambos no son posibles con nanoestructuras basadas en ADN. En el futuro, estas nanoestructuras de proteínas podrían usarse para mejorar las capacidades de detección, acelerar las reacciones químicas, en la administración de fármacos y otras aplicaciones.

Al intentar crear nanoestructuras de proteínas adecuadas para aplicaciones particulares, los investigadores suelen realizar modificaciones en las estructuras proteicas existentes, como partículas de virus. Sin embargo, las formas de las nanoestructuras que se pueden hacer con este enfoque se limitan a lo que proporciona la naturaleza. Ahora, Fuzhong Zhang, profesor asociado de energía, ingeniería ambiental y química, y los miembros de su laboratorio han desarrollado un enfoque ascendente para construir nanoestructuras 2-D, esencialmente partiendo de cero.

"Construir algo que la naturaleza no ha ofrecido es más emocionante, ", Dijo Zhang." Tomamos proteínas plegadas individualmente y las usamos como bloques de construcción, luego los ensambló pieza por pieza para que podamos crear nanoestructuras a medida ".

Los resultados del trabajo fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza 25 de julio.

Usando enfoques de biología sintética, Los primeros bloques de construcción de proteínas biosintetizados en forma de varilla del equipo de Zhang, similar en forma a un lápiz pero sólo 12 nanómetros de largo.

Luego, conectaron estos bloques de construcción a través de dominios de proteínas reactivas que se fusionaron genéticamente con los extremos de cada una de las varillas, formando triángulos con tres varillas y cuadrados con cuatro varillas. Estos dominios de proteínas reactivas se conocen como inteínas divididas, que no son nuevos en el laboratorio de Zhang, son las mismas herramientas que usa su grupo para hacer seda de araña sintética de alta resistencia y réplicas sintéticas de las proteínas adhesivas del pie de mejillón.

En ambos casos, Estos grupos de inteína divididos permiten la producción de proteínas grandes que hacen que la seda de araña sintética sea más resistente y más fuerte y las proteínas del pie de mejillón más pegajosas. En este caso, permiten la construcción de nuevas nanoestructuras.

El equipo de Zhang trabajó con Rohit Pappu, el profesor de ingeniería Edwin H. Murty, profesor de ingeniería biomédica y experto en biofísica de proteínas intrínsecamente desordenadas, transiciones de fase y plegamiento de proteínas. Tanto Zhang como Pappu son miembros del Centro de Ciencia e Ingeniería de Sistemas Vivientes (CSELS) de la universidad.

"El laboratorio del profesor Pappu, específicamente el ex becario postdoctoral Jeong-Mo Choi, nos ayudó a comprender cómo la secuencia de proteínas en las conexiones determina la flexibilidad de estas nanoestructuras y nos ayudó a predecir las secuencias de proteínas para controlar mejor la flexibilidad y la geometría de las nanoestructuras, ", Dijo Zhang." La colaboración entre mi laboratorio de biología sintética y el laboratorio de modelado biofísico del profesor Pappu ha demostrado ser muy productiva ".

La colaboración simplificó un proceso muy complejo.

"Una vez que comprendimos la estrategia de diseño, el trabajo es bastante sencillo y divertido de hacer, ", Dijo Zhang." Simplemente controlamos los diferentes grupos funcionales, luego controlaron las formas ".

Debido a la funcionalidad versátil de las proteínas, estas nanoestructuras podrían potencialmente usarse como andamios para ensamblar varios nanomateriales. Para probar esta idea, El equipo ensambló nanopartículas de oro de 1 nanómetro precisamente en los vértices del triángulo. Usando un microscopio electrónico de última generación en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la universidad, tanto los triángulos de proteínas como las nanopartículas de oro ensambladas en los vértices de los triángulos eran visibles.

Para probar la estabilidad de estas nanoestructuras proteicas, el equipo los expuso a altas temperaturas, hasta 98 ​​grados Celsius, a productos químicos como el clorhidrato de guanidio, ya disolventes orgánicos como acetona. Si bien estas condiciones generalmente destruyen las estructuras proteicas, las estructuras del laboratorio de Zhang permanecieron intactas. Esta ultraestabilidad podría permitir más aplicaciones a nanoescala que son difíciles o no posibles utilizando nanoestructuras hechas de ADN u otras proteínas. Dijo Zhang.

Próximo, el equipo está trabajando con Srikanth Singamaneni, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y miembro de CSELS, utilizar estas nanoestructuras de proteínas para desarrollar sensores plasmónicos mejorados.

"La explotación de la interacción entre bloques de construcción estructurales altamente estables y regiones intrínsecamente desordenadas o flexibles proporciona una ruta novedosa para diseñar nanoestructuras con características personalizables para una variedad de aplicaciones en biología sintética y ciencias biomédicas, ", Dijo Pappu." Este es uno de los principales impulsos de nuestro centro, como se refleja en las sinergias entre tres laboratorios diferentes que forman parte del centro ".