Proteinele proiectate pe computer permit formarea de hidrogeluri reglabile

Când cercetătorii doresc să studieze modul în care coronavirusul ne îmbolnăvește sau ce afectează organismul boli precum Alzheimer, o modalitate este să se uite la ceea ce se întâmplă în interiorul celulelor individuale.

Cercetătorii cresc uneori celule într-o schelă 3D numită hidrogel. Această rețea de proteine ​​sau molecule imită mediul în care trăiesc celulele în interiorul corpului.

O nouă cercetare de la Universitatea din Washington arată o nouă clasă de hidrogeluri care se pot forma nu numai în exteriorul celulelor, ci și în interiorul acestora. Echipa a creat aceste hidrogeluri din blocuri de proteine ​​create de computer pentru a forma o structură specifică. Aceste hidrogeluri au arătat proprietăți mecanice similare în interiorul și în exteriorul celulelor, oferind cercetătorilor un nou instrument pentru a menține proteinele împreună în interiorul celulelor.

echipa Aceste rezultate au fost publicate 30 ianuarie în Proceedings of the National Academy of Sciences.

„În ultimii 10 ani, a existat o schimbare în lumea biologiei celulare”, a spus co-autorul principal. Cole de Forest, profesor asociat de chimie și bioinginerie la Universitatea din Wisconsin. „În mod clasic, oamenii atribuiau o mare parte din organizarea internă a unei celule organelelor legate de membrană, cum ar fi mitocondriile sau nucleul. Dar acum oamenii de știință realizează că celula are de fapt alte moduri de a concentra anumite molecule sau proteine ​​la nivel local, fără a utiliza membrane, de exemplu.” , prin Interacțiuni între proteine ​​și proteine. Această concentrare permite celulei să activeze sau să dezactiveze funcții specifice care pot fi benefice sau, în cele din urmă, pot duce la boli.”

„Ceea ce cred că este foarte interesant aici este că avem un control mecanic bun asupra hidrogelurilor noastre – chiar și atunci când sunt produse în interiorul celulelor umane. Aceasta înseamnă că le putem regla pentru a acționa, în esență, ca o versiune artificială a oricărui fenomen de izolare pe care ni-l dorim.” a continuat DeForest. Pentru a studia, cum ar fi modul în care acumularea de proteine ​​poate duce la boala Alzheimer.”

Un element cheie al acestei cercetări a fost faptul că blocurile de proteine ​​au fost proiectate de la zero – care nu există nicăieri în natură – folosind computere.

„Puteți să vă gândiți la o proteină ca la un lanț de subunități numite aminoacizi. Acest lanț se pliază pentru a forma o structură tridimensională. Există 20 de aminoacizi diferiți, iar o proteină tipică este formată din 100 până la 200 dintre ei. Acest lucru face sistemul proteic foarte complex, pentru că de unde știi cum va fi pliat? a spus coautorul principal Rubla morțiicare a finalizat această cercetare în calitate de cercetător postdoctoral la Universitatea din Wisconsin Institutul de proiectare a proteinelor Acum este cercetător la Harvard Medical School și la Spitalul de Copii din Boston. „Acolo intervine computerul, face calcule pentru a estima cea mai probabilă formă 3D. De asemenea, îi puteți spune ce formă doriți și vă spune secvența de care aveți nevoie pentru a construi proteina.”

Pentru a realiza o varietate de hidrogeluri cu proprietăți diferite, echipa a folosit designul computațional pentru a controla cât de flexibile sau rigide sunt blocurile de proteine ​​​​și modul în care blocurile de construcție sunt organizate și conectate pentru a forma hidrogelurile. Cercetătorii au folosit, de asemenea, două metode diferite pentru a atașa blocurile de construcție: una care le-a legat ireversibil și cealaltă care a permis proteinelor să se separe și să se reconecteze.

„Sistemele reticulate ireversibil vor fi intrinsec mai stabile, făcându-le mai bune pentru cultura celulară pe termen lung și ingineria funcțională a țesuturilor”, a spus DeForest, care este și membru al facultății UW. Institutul de Inginerie Moleculară și Știință Și UW Institutul de Celule Stem și Medicină Regenerativă. „Dar sistemele reticulate în mod reversibil sunt mai flexibile, ceea ce poate fi mai bun pentru catalizarea interacțiunilor proteine-proteine ​​specifice în celulele vii.”

Pentru a determina dacă hidrogelurile conținute în celule au proprietăți similare în comparație cu omologii lor extracelulari, cercetătorii au examinat dacă blocurile de construcție din hidrogeluri se puteau mișca. Un hidrogel mai rigid are mai multe șanse să prindă proteinele într-o singură poziție decât un hidrogel mai flexibil. Proprietățile mecanice ale fiecărui tip de hidrogel au rămas prezente chiar și în interiorul celulei.

Echipa intenționează să exploreze în continuare acest sistem, inclusiv capacitatea de a controla mai bine modul în care se formează și se localizează hidrogelurile în interiorul celulelor.

Cea mai importantă parte a acestui proiect este colaborarea dintre designerii de proteine ​​și inginerii chimici și biologici, au spus cercetătorii.

„Colaborarea noastră interdisciplinară cu grupul lui Cole a fost foarte interesantă, deschizând căi pentru noi clase de biomateriale cu o gamă largă de aplicații”, a spus co-autorul principal. David Beckerdirector al Institutului de Design de Proteine.

Ross Bretherton, un doctorand în bioinginerie la Universitatea din Wisconsin, este co-autor al acestei lucrări. Co-autori suplimentari sunt Justin DeCarocercetător la Institutul pentru Design de Proteine ​​al Universității din Wisconsin; Sangmin Leeun profesor asistent la Universitatea de Știință și Tehnologie Pohang, care a finalizat această cercetare ca cercetător postdoctoral la Universitatea din Wisconsin la Institutul pentru Design de Proteine; Nicole Gregorioun doctorand UW în bioinginerie; Dependența de Natashaun doctorand UW în biologie moleculară și celulară; Maggie Ahlrichsun doctorand UW în fizică biologică, structură și proiectare; Yang Hsiacercetător la Institutul pentru Design de Proteine ​​al Universității din Wisconsin; Danny Sahtoun lider de grup la Institutul Hubrecht care a finalizat această cercetare ca cercetător postdoctoral la Institutul pentru Design de Proteine; George Ueda, Instructor interimar la Institutul de Design de proteine; Allie Sharma, student la Universitatea Northeastern; Și Rebecca Shulman, profesor asociat la Johns Hopkins School of Engineering. Mout și Sahtoe făceau parte Programul de burse al Fundației de Cercetare Washington. Această cercetare a fost finanțată de Fundația Națională pentru Știință, Proiectul Bold, Proiectul Filantropie Deschisă, Fondul Wu Tsai pentru Cercetare Translațională, Centrul pentru Știința Sintezei pe Scale și Institutul Național de Sănătate.