Ученые сложили белковые оригами-тетраэдры в клетках печени мыши

Биохимикам удалось сложить трехмерные структуры заданной формы из полипептидной цепи. Для этого ученые сконструировали белковые спирали, складывающиеся друг с другом определенным образом при взаимодействии аминокислотных остатков. Белки, состоящие из спиралей с заданными свойствами, способны формировать структуры в виде тетраэдров, пирамидок и призм как в растворе, так и в живых клетках. Новый тип самосборных белковых наночастиц, по аналогии с ДНК-оригами, может найти применение как в биомедицине, к примеру, для доставки лекарств, так и в других приложениях. Работа опубликована в Nature Biotechnology.

Способность биологических полимеров формировать вторичную и третичную структуры привлекает биоинженеров, которые пытаются при помощи рационального дизайна заставить ДНК и белки складываться нужным образом. Формирование заданных структур нуклеиновыми кислотами благодаря свойству комплементарности известно как ДНК-оригами и давно и успешно используется для разных задач. К примеру, мы рассказывали, как собирающиеся нужным образом молекулы ДНК использовали для создания молекулярных наноножниц, доставки лекарств в раковые клетки, и даже для создания электронных микрочипов.

ДНК состоит всего из четырех структурных блоков (A,T,G,C), которые взаимодействуют друг с другом строго ограниченным образом (A «спаривается» с T, а G с C). Белковые цепочки состоят из 20 аминокислот, которые могут взаимодействовать друг с другом в гораздо более широком спектре путем электростатических и гидрофобных взаимодействий. Благодаря этому природные белки формируют несколько десятков определенных третичных структур, и ученые показали, что это далеко не предел.

Исследователям из нескольких институтов Любляны в сотрудничестве с коллегами из других европейских университетов удалось создать алгоритм, позволяющий проектировать дизайн новых частиц с заданной трехмерной структурой на основе существующих в природе спиральных белковых доменов. Чтобы продемонстрировать работу алгоритма, авторы работы сделали белки в виде тетраэдра, четырехгранной пирамиды и треугольной призмы. Эти белки оказались растворимы, хорошо складывались в бактериях, эукариотических клетках и даже в клетках печени живой мыши.

В основу самосборных структур легли спиральные белковые домены типа coiled-coil (их можно назвать «суперспираль», хотя устоявшегося термина для них в русском языке нет). Такие домены часто используются в природе для взаимодействия белков друг с другом.

В эксперименте одна полипептидная цепь, то есть один белок, формировала одну геометрическую фигуру. Самая большая полипептидная цепь в эксперименте состояла более чем из 700 аминокислот. Ребрами фигуры служили те самые «суперспирали», которые образовывались при взаимодействии гидрофобных и заряженных аминокислотных остатков в составе отдельных спиралей. Отдельные домены были разделены гибкими линкерами, позволяющими формировать углы. Форму частиц, полученных in vitro, исследователи подтвердили при помощи электронной микроскопии и ряда физических методов.

Чтобы продемонстрировать применимость полученных белковых наночастиц в живых системах, авторы работы сначала экспрессировали белковые тетраэдры в бактериях и показали, что в отличие от белков, полученных в предшествующих работах, такие частицы хорошо складываются в клетках и при этом растворимы, то есть в нужном виде содержатся в цитоплазме.

На следующем этапе тетраэдры экспрессировали в клетках человека. Для того чтобы подтвердить правильную сборку структуры внутри клетки, авторы «пришили» к разным концам белковой молекулы половинки репортерного белка. Если белковая цепочка складывалась в нужную структуру, из половинок собирался целый репортер, способный светиться. Оказалось, что фигуры собираются правильно и в клеточной линии, и в клетках печени мыши, куда исследователи доставили генетические конструкции, кодирующие тетраэдры. Дополнительно ученые подтвердили, что такие белковые частицы, хотя и не встречаются в природе, не активируют внутриклеточные защитные реакции и не вызывают иммунного ответа в организме.

Самосборные белковые частицы с заданной формой, по словам исследователей, могут найти применение в разных областях молекулярной терапии. Такие белки можно использовать не только как средство доставки (по аналогии с ДНК-структурами), но и, к примеру, для создания генетически кодируемых вакцин, при помощи которых в организме синтезируются наночастицы, содержащие на своей поверхности антигены.

Мы писали, что ранее ученым удалось создать гибридные наночастицы, состоящие из ДНК и белка.

улучшили способность ДНК-структур к самосборке.