Учёные создали молекулярные детали для сборки искусственных материалов

Исследователи из Мюнхена, Берлина, Бордо и Нанта создали пару из искусственного белка и синтетической молекулы-фолдамера, способных к избирательному связыванию. Такие пары могут использоваться для создания пористых трёхмерных материалов с заданной геометрией и расстоянием между элементами. Результаты работы опубликованы в Nature Chemistry.

Искусственный белок для синтетической спирали

Синтетическим компонентом стал фолдамер — молекула, которая самостоятельно принимает устойчивую спиральную форму. Химики могут изменять длину таких молекул и вводить в них функциональные группы.

Для связывания с фолдамером учёные получили искусственный белок C10 на основе каркаса Nanofitin. Это небольшой белок массой около 7 килодальтон. Исследователи искали вариант, который не только взаимодействует со спиралью, но и связывается с ней в определённой ориентации.

Отбор провели методом рибосомного дисплея. После четырёх раундов из библиотеки, включавшей сотни миллиардов вариантов, выделили белок C10. Метод позволяет одновременно проверять большое число белковых последовательностей и отбирать наиболее подходящие для заданной молекулярной мишени.

C10 связывается с P-спиралью

Фолдамеры могут существовать в двух зеркальных конфигурациях — P- и M-спиралях. P-спираль закручена вправо, M-спираль — влево. Белок C10 показал избирательность к правозакрученной P-форме.

Связывания с левозакрученной M-спиралью исследователи не обнаружили. Это означает, что белок распознаёт не только химический состав фолдамера, но и его пространственную форму. Такое взаимодействие может помочь задавать ориентацию молекулярных блоков при сборке структур.

Площадь контакта между C10 и фолдамером превышает 700 квадратных ангстрем. Большая поверхность взаимодействия фиксирует положение компонентов относительно друг друга.

В кристаллах образовались кольца и сети

Одна спираль фолдамера может связывать два белка на определённом расстоянии. Возможна и обратная конфигурация: димер белков соединяет два фолдамера. Это создаёт набор молекулярных блоков для построения более сложных структур.

В кристаллах компоненты выстраивались в кольцевые структуры и бесконечные зигзагообразные сети. Длина фолдамера влияет на расстояние между белками, а значит, потенциально позволяет менять размер ячеек и геометрию материала.

Взаимодействие компонентов определяется формой и хиральностью фолдамера. Избирательность к одной конфигурации спирали и большая площадь контакта могут снижать вероятность соединения блоков в другой ориентации.

Расчётный размер полостей — до 5 нанометров

Компьютерный анализ кристаллической структуры показал наличие внутренних полостей. По расчётам, крупнейшие из них могут вмещать сферические объекты диаметром около 5 нанометров — например, наночастицы или крупные молекулы.

Авторы рассматривают разработку как принцип создания материалов с настраиваемой архитектурой. В такие системы потенциально можно вводить функциональные группы, чтобы менять свойства внутренних поверхностей и их взаимодействие с молекулами в порах.

Ещё одно возможное применение — использование фолдамеров как соединителей для природных белков. Если подход удастся распространить на другие белковые пары, синтетические спирали смогут стать программируемыми перемычками для гибридных биомолекулярных структур.