Ученые создали светособирающие наноантенны из белков

Ученым из Китая удалось создать самособирающиеся белковые нанопровода, которые могут запасать и передавать энергию наподобие светособирающих комплексов у бактерий. Авторы считают, что такие структуры могут найти применение в биосовместимых искусственных преобразователях энергии. Статья опубликована в журнале ACS Nano.

В бактериях светособирающие комплексы ответственны за поглощение света и передачу энергии на реакционные центры с помощью различных механизмов. В качестве такой чувствительной «антенны» у некоторых бактерий выступают кольцеобразные структуры — LH2 комплексы — в состав которых входят молекулы пигментов. Авторы новой работы решили «скопировать» природные механизмы запасания энергии, используя похожий по структуре кольцевидный белок SP1. К нему ученые прикрепили хромофоры и собрали протяженную стержнеобразную структуру, способную передавать энергию от одного конца стержня к другому.

SP1 состоит из 12 субъединиц, связанных между собой гидрофобными взаимодействиями (склонностью отталкиваться от воды). Гидрофильные (притягивающиеся к воде) стороны этих белков обращены наружу таким образом, что образуется двуслойная кольцеобразная структура, состоящая из 6 сегментов. В нейтральной среде поверхность белка оказывается отрицательно заряженной, что позволяет использовать электростатические взаимодействия для связывания SP1 в различные сложные структуры.

В качестве такого положительно-заряженного «связывающего» звена могут выступать мицеллы — шарообразные структуры, которые образуются в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ). Концы длинных органических молекул ПАВ обладают разными свойствами по отношению к растворителям: один из них гидрофобен, а другой гидрофилен. Таким образом, в водных растворах молекулы будут стремиться расположится так, чтобы гидрофильные концы были обращены к воде, а гидрофобные не имели с ней контакта. Один из вариантов — образование шароообразной структуры (мицеллы), в которой все гидрофобные концы обращены внутрь. Размеры мицелл очень легко варьировать за счет концентрации ПАВ в растворе.

Авторы работы показали, что в присутствии мицеллы, два белка SP1 стремятся образовать «сэндвич» с ней посередине. Образование «сэндвича», в свою очередь, запускает самопроизвольный процесс присоединения других мицелл и белков к структуре. В результате происходит самосборка нанопровода, в котором чередуются молекулы белка и мицеллы.

Затем ученые прикрепили донорные и акцепторные хромофоры, соответственно, к SP1 и мицеллам в стержне. Измерения показали, что поглощенная энергия квантов света может курсировать между донорными центрами по кольцу SP1, а затем передаваться на акцепторный центр, прикрепленный к мицелле. Авторы работы утверждают, что эффективность передачи энергии по проводу довольно высока (59% при передаче соседнему донору и 52% - от донора к акцептору), что может найти применении в биосовместимых искусственных преобразователях солнечной энергии.

Ранее ученые показали возможность формирования нанопроводов из SP1 с помощью положительно-заряженных квантовых точек — наночастиц CdTe, и сложных органических структур — дендримеров. Но размеры квантовых точек и дендримеров довольно сложно контролировать, из-за чего в растворе всегда существует набор частиц, значительно отличающихся по диаметру. Нанопровода, собранные из них и SP1, имеют изломы и дефекты, а это, в свою очередь, сказывается на их способности передавать энергию.