Designer-Proteine bilden Drähten und Gittern auf mineralische Oberfläche: die Befunde legen Grundstein für engineered nano-Maßstab schaltungen, sensoren und Filter

Das Ziel der Forschung, veröffentlicht 11. Juli in der Zeitschrift Nature, wurde zur Konstruktion künstlicher Proteine selbst zusammenbauen, auf eine crystal-Oberfläche, indem eine genaue übereinstimmung zwischen dem Muster der Aminosäuren im protein, und die Atome des Kristalls. Die Fähigkeit zu Programmieren, die diese Interaktionen ermöglichen könnte, in das design von neuen Biomimetischen Materialien mit angepassten Farben, Chemische Reaktivität oder die mechanischen Eigenschaften, oder dienen als Gerüste für die nano-Skala, Filter, Solarzellen oder elektronischen schaltungen.

„Die Biologie hat eine erstaunliche Fähigkeit, sich zu organisieren Materie von der atomaren Skala den ganzen Weg bis zu blue Wale“, sagte co-Erstautor Harley Pyles, ein student an der UW-Medizin, Institut für Protein Design. „Nun, die Verwendung von protein-design, wir erstellen brand new Biomoleküle, dass montieren von atomic – bis millimeter-Skalen. In diesem Fall, mica ? ein natürlich vorkommendes Kristall ? benimmt sich wie ein großer Lego® Grundplatte auf, von denen wir die Montage von neuen protein-Architekturen.“

Das design der neuen mineral-bindende Moleküle, die war inspiriert von Proteinen, die die Interaktion mit Eis. Auf molekularer Ebene, Eis, flach und enthält eine atomar genaue Muster der starren Wasser-Moleküle. In der Natur, Proteine, die mit diesen mustern, um Ihnen zu ermöglichen-stick auf dem Eis.

Das team verwendet computational molecular design engineer neue Proteine mit kundengebundenem Muster der elektrischen Ladung auf Ihren Oberflächen aus, als wären Sie in nano-Größe Lego® Blöcke perfekt abgestimmt auf die Glimmer-Grundplatte. Synthetischen Genen, die diese designer-Proteine wurden platziert in Bakterien, die dann in Masse produziert werden die Proteine im Labor.

Die Forscher fanden, dass verschiedene designs gebildet, die unterschiedliche Muster auf der mica-Oberfläche. Durch die Neugestaltung der Teile von Proteinen, die Mannschaft war in der Lage zu produzieren-Waben-Gitter, in die Sie Digital optimieren die Durchmesser der Poren von wenigen Nanometern, was etwa der Breite einer einzelnen DNA-Doppelhelix.

„Dies ist ein Meilenstein in der Untersuchung von protein-material-Schnittstellen,“ sagte David Baker, Direktor der IPD, ein professor der Biochemie an der University of Washington School of Medicine und co-senior-Autor der Forschung. „Wir erzielten eine beispiellose Maß an Ordnung durch die Gestaltung von Einheiten, die sich selbst zusammensetzen, die in ausgerichteten Reihen von nanorods, präzise hexagonalen Gittern und exquisite Einzel-Molekül-wide-Nanodrähte.“

Die Forschung wurde ermöglicht durch die Verwendung von atomic force microscopy), die mit einer kleinen Nadel gekennzeichnet molekulare Oberflächen, ähnlich wie die Nadel von einem Plattenspieler liest die Informationen in den Rillen einer vinyl-Schallplatte. Die AFM-Ergebnisse zeigen, dass die Architekturen gebildet, indem die Proteine werden gesteuert durch eine subtile balance zwischen der gestalteten Interaktion mit der mica-Oberfläche und Kräfte, die nur erscheinen, wenn eine große Anzahl von Proteinen zu handeln, im Konzert, wie Baumstämme auf einem Fluss.

„Obwohl wir entwickelten spezifische Atomare Ebene von Interaktionen, die wir bekommen diese Strukturen, zum Teil, weil die Proteine verdrängt durch das Wasser und sind gezwungen, zusammen zu packen,“ sagte James De Yoreo, ein Materialwissenschaftler bei PNNL und co-Direktor der NW-IMPACT, joint research endeavor zwischen PNNL und die UW-macht Entdeckungen und Fortschritte in den Materialien. „Das war ein unerwartetes Verhalten und zeigt, dass wir brauchen, um besser zu verstehen, die Rolle von Wasser bei der Bestellung Proteine im molekularen Maßstab-Systeme.“

Die Möglichkeit zum erstellen funktionale protein-Filamente und die Gitter von Grund auf, könnte auch ermöglichen die Erstellung von völlig neuen Materialien, im Gegensatz zu allen in der Natur gefunden. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Strategien für die Synthese von Halbleiter-und metallischen Nanopartikel-schaltungen für Photovoltaik oder Energie-Speicher-Anwendungen. Oder alternativ, das protein Waben verwendet werden könnten, als äußerst präzise Filter, nach co-erste Autor Shuai Zhang, Postdoktorand am PNNL. „Die Poren klein genug, um zu filtern Viren aus Trinkwasser oder filtern Partikel aus der Luft,“ sagte Zhang.

Design und Synthese von honeycomb-Gitter bilden Proteine, die unterstützt wurde durch das DOE-Büro der Wissenschaft und AFM-imaging und-Analyse wurde unterstützt durch Das Zentrum für die Wissenschaft von der Synthese Über Skalen, DOE-unterstützte Energy Frontier Research Center. Protein-nanorod-und Nanodraht-design und Synthese wurden unterstützt durch die IPD-Forschung Geschenk-Fonds, Michelson-Medical Research Foundation, und Protein Design-Initiative finanzieren. Entwicklung von AFM-imaging-Protokolle wurde unterstützt durch Materialien-Synthese und-Simulationen Über Skalen, einer intern finanzierten initiative am PNNL.