הצבת חלבונים פונקציונליים במקומם

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


מדענים ארגנו חלבונים – אבני הבניין המגוונות ביותר בטבע – במערכים מסודרים דו-ממדיים ותלת-ממדיים תוך שמירה על יציבותם המבנית ופעילותם הביולוגית. הם בנו מערכי חלבון פונקציונליים מעצבים אלה באמצעות DNA כחומר בנייה לתכנות. הצוות – המייצג את המעבדה הלאומית ברוקהאבן, משרד האנרגיה האמריקני (DOE), אוניברסיטת קולומביה, המעבדה הלאומית לורנס ברקלי ואוניברסיטת העיר ניו יורק (CUNY), תיאר את גישתם בגיליון 17 ביוני. תקשורת טבע.

"במשך עשרות שנים, מדענים חלמו על הרכבת חלבונים באופן רציונלי לארגונים ספציפיים עם תפקוד חלבון משומר", אמר הסופר המקביל אולג גאנג, מנהיג המרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN) ננו-חומרים רכים וביו במעבדת ברוקהייבן ופרופסור להנדסה כימית. ושל פיזיקה יישומית ומדעי החומרים ב- Columbia Engineering. "לפלטפורמה מבוססת ה- DNA שלנו יש פוטנציאל עצום לא רק לביולוגיה מבנית אלא גם ליישומים ביו-הנדסיים, ביו-רפואיים וביוננו-חומריים."

המניע העיקרי של עבודה זו היה לבסס דרך רציונאלית לארגן חלבונים בארכיטקטורות דו-ממדיות ותלת-ממדיות מתוכננות תוך שמירה על תפקודם. החשיבות של ארגון חלבונים ידועה בתחום גבישי חלבון. עבור טכניקה זו, חלבונים נלקחים מסביבתם המבוססת על פתרונות מקוריים ומתעבים ליצירת סידור אטומים מסודר (מבנה גבישי), אשר לאחר מכן ניתן לאפיין מבנית. עם זאת, בגלל גמישותם ותכונות הצבירה שלהם, חלבונים רבים קשים להתגבש, ודורשים ניסוי וטעייה. המבנה והתפקוד של חלבונים עשויים להשתנות בתהליך ההתגבשות, והם עשויים להפוך ללא פונקציונל כאשר הם מתגבשים בשיטות מסורתיות. גישה חדשה זו פותחת אפשרויות רבות ליצירת חומרים ביולוגיים מהונדסים, מעבר למטרות הביולוגיה המבנית.

"היכולת לייצר סריגי חלבון פעילים ביולוגית רלוונטית ליישומים רבים, כולל הנדסת רקמות, מערכות רב-אנזימים לתגובות ביוכימיות, פרופיל בקנה מידה גדול של חלבונים לרפואה מדויקת וביולוגיה סינתטית", הוסיף הסופר הראשון שי-טינג (כריסטין) ) וואנג, פוסט-דוקטורט בקבוצת CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

אף על פי ש- DNA ידוע בעיקר בזכות תפקידו באחסון המידע הגנטי שלנו, ניתן למנף את אותם תהליכי זיווג בסיסים המשמשים לאחסון זה לבניית מבני ננו רצויות. קווצה בודדת של DNA עשויה מיחידות משנה, או נוקלאוטידים, שיש להם ארבעה סוגים (הידועים באותיות A, C, T ו- G). לכל נוקלאוטיד יש נוקלאוטיד משלים שהוא מושך אליו וקושר אליו (A עם T ו- C עם G) כאשר שתי גדילי DNA נמצאים זה ליד זה. באמצעות מושג זה בטכניקה של אוריגמי DNA, מדענים מערבבים מספר גדילים קצרים של DNA סינתטי עם קווצת DNA ארוכה אחת. הגדילים הקצרים נקשרים ו"מקפלים "את החוט הארוך לצורה מסוימת בהתבסס על רצף הבסיסים, אותם יכולים המדענים לציין.

במקרה זה, המדענים יצרו אוריגמי DNA בצורת אוקטהדרל. בתוך מסגרות דומות לכלוב אלה, הציבו קווצות DNA עם "צבע" או רצף קידוד מסוים, במיקומים ממוקדים (במרכז ובמרכז). אל פני השטח של חלבונים – במיוחד פריטין, המאגר ומשחרר ברזל, ואפופרריטין, מקבילו ללא ברזל – הם הצמידו קווצות DNA משלימות. על ידי ערבוב כלובי ה- DNA והחלבונים המצומדים וחימום התערובת לקידום התגובה, החלבונים הלכו למקומות המיועדים פנימיים. הם יצרו גם כלובים ריקים, בלי חלבון בתוכם.

כדי לחבר את אבני הבניין הננומטריות האלה, או "ווקסלים" חלבוניים (כלובי DNA עם חלבונים מקופלים), במערכים דו-ממדיים ותלת-ממדיים רצויים, תכנן המחבר השני וסטודנט לתואר שלישי בקולומביה בריאן מינביץ 'צבעים שונים עבור הקשרים החיצוניים של הווקסלים. בעזרת ערכת צבעים זו, הווקסלים יזהו זה את זה בדרכים ניתנות לתכנות, המובילות ליצירת סוגים מסוימים של סריגי חלבון. כדי להדגים את הרבגוניות של הפלטפורמה, הצוות בנה מערכי דו-ממדי חד-שכביים דו-שכביים, כמו גם מערכי תלת-ממד.

"על ידי סידור הצבעים בצורה מסוימת, נוכל לתכנת היווצרות סריגים שונים", הסביר גאנג. "יש לנו שליטה מלאה לתכנן ולבנות את ארכיטקטורות סריג החלבונים שאנחנו רוצים."

כדי לאשר שהחלבונים נעטפו בתוך הכלובים והסריגים נבנו כמתוכנן, הצוות פנה לטכניקות הדמיה ופיזור מבוססות אלקטרונים וצילומי רנטגן. טכניקות אלה כללו הדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים (EM) ב- CFN; פיזור רנטגן זוויתית קטנה בפיזור חומרים מורכבים ממקור אור סינכרוטרון II (NSLS-II) ובקורות פיזור רנטגן (LiX) במדעי החיים (LiX) בברוקהאבן; והדמיה קריוגנית-EM בבית היציקה המולקולרית (MF) של לורנס ברקלי ומרכז המחקר למדע מתקדם CUNY. CFN, NSLS-II ו- MF הם כל מתקני המשתמשים במשרד DOE; CFN ו- MF הם שניים מחמישה מרכזי מחקר למדעי המדע הננומטרי של DOE.

"המדע התאפשר על ידי יכולות סינתזה ואפיון מתקדמות בשלושה מתקני משתמשים במערכת המעבדה הלאומית ובמתקן אחד האוניברסיטאי", אמר גאנג. "ללא מתקנים אלה והמומחיות של מדענים מכל אחד מהם, מחקר זה לא היה אפשרי."

בעקבות מחקרי הרכבה אלה, הם חקרו את הפעילות הביולוגית של פריטין. על ידי הוספת ריאגנט מפחית לסריג הפריטין, הם גרמו לשחרור יוני ברזל ממרכז חלבוני הפריטין.

"על ידי מעקב אחר התפתחות דפוסי SAXS במהלך שחרור הברזל, נוכל לכמת כמה ברזל שוחרר וכמה מהירות הוא שוחרר, כמו גם לאשר כי שלמות הסריג נשמרה במהלך פעולת חלבון זו", אמר מינביץ '. "על פי מחקרי ה- TEM שלנו, החלבונים נשארו בתוך המסגרות."

"הראינו שהחלבונים יכולים לבצע את אותה התפקיד כמו שהם עושים בסביבה ביולוגית תוך שמירה על הארגון המרחבי שיצרנו", הסביר וואנג.

לאחר מכן, הצוות ישים את הפלטפורמה מבוססת ה- DNA שלהם על סוגים אחרים של חלבונים, במטרה לבנות מערכות חלבון תפעוליות מורכבות יותר.

"מחקר זה מהווה שלב חשוב בהפגישת רכיבים שונים ממכונות ביולוגיות אמיתיות וארגון אותם בארכיטקטורות דו-ממדיות ו -3-ד רצויות ליצירת חומרים מהונדסים וביו-אקטיביים", אמר גאנג. "זה מרגש מכיוון שאנו רואים את הדרך הרציונלית לייצור מערכות ביו-ננו פונקציונליות רצויות שמעולם לא הופקו על ידי הטבע."

.



קישור לכתבת המקור – 2021-06-25 19:03:59

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר