Novica

V naravi najdemo mnoge kompleksne biološke strukture in materiale, ki so zmožni samo-sestavljanja in so zgled za pripravo novih načrtovanih nanomaterialov z možnostmi za uporabo na različnih področjih našega življenja. Eden od pristopov sintezne biologije, s katerim lahko načrtujemo molekulske interakcije na nanometrskem nivoju, je de novo načrtovanje proteinskih gradnikov, ki temelji na zaporedju peptidnih segmentov (α-vijačnic) v polipeptidni verigi, ki kot ortogonalni pari tvorijo obvite vijačnice (OV) in s tem omogočajo samo-sestavljanje polipeptidne verige. Naša skupina je demonstrirala uspešno načrtovanje stabilnih kletk z različno geometrijo (tetraeder, piramida, bipiramida) iz ene same polipeptidne verige, kjer so robove predstavljale OV ortogonalnih parov peptidnih segmentov. Načrtovanje večjih in kompleksnejših struktur z namenom raznovrstne uporabe, kot je na primer enkapsulacija molekul, zahteva povezovanje več verig, kar predstavlja izzive (fleksibilnost in heterogenosti podenot) in potrebuje pristop z drugačno strategijo.

V tej publikaciji smo razširili uporabo peptidnih segmentov, ki tvorijo OV, na načrtovanje in pripravo nanostruktur, ki se sestavijo iz več polipeptidnih verig ter načrtovali strategijo za preorganizacijo peptidnih podenot. Z uvajanjem ciklizacije in intramolekulskih interakcij smo dosegli večjo kontrolo nad strukturno fleksibilnostjo in predvidljivo razporejanje komponent v 3-dimenzionalne strukture. Proteinske verige iz šestih zaporednih segmentov za tvorbo OV smo ciklizirali tako, da smo jih genetsko spojili s podenotami razcepljenih inteinov, ki so se med bakterijsko produkcijo izrezali in kovalentno povezali N in C končne dele verig. Dva segmenta v takih cikliziranih verigah sta tvorila intramolekulsko povezavo, zaradi česar so podenote zavzele obliko dvojnega trikotnika. Zunanje stranice trikotnika so tvorili preostali štirje segmenti, ki so bili prosti za interakcijo z drugimi verigami. S tako preorganiziranimi podenotami smo bolje definirali interakcijske površine med proteini, kar smo demonstrirali z načrtovanjem tetraederske kletke iz dveh podenot, ki je zavzela pravilno strukturo, samo če je bila vsaj ena od podenot ciklizirana. Še dodatno smo razširili domet racionalnega načrtovanja s sestavo kompleksa SB24, nesimetrične konkavne oktaedrične topologije, ki doslej še ni bila izvedena na molekularni ravni. S to topologijo iz 24 segmentov za tvorbo OV smo dosegli prvo uspešno načrtovanje iz treh preorganiziranih verig in največjo večverižno 3D strukturo na osnovi OV do zdaj.

Strategijo preorganizacije za makromolekularno samo-sestavljanje lahko uporabimo za sestavljanje asimetričnih, vendar natančno opredeljenih nanostruktur, pri katerih lahko vsak vrh ali rob poliedrične strukture obravnavamo posebej. Na ta način lahko s poljubno geometrijo razporedimo izbrane funkcionalne skupine za različne namene, kot je npr. predstavitev antigenov za spodbujanje imunskega odziva, aktivacija celičnih receptorjev, postavitev katalitičnih centrov ali vezavnih mest. Poleg tega bi lahko takšne komplekse na osnovi OV oblikovali tako, da bi se konformacijsko spremenili z odzivom na kemične signale, kot so kovinski ioni, pH ali biološke molekule, ki se že uporabljajo za uravnavanje struktur na osnovi OV.

V publikaciji smo prikazali inovativen pristop za sestavljanje proteinskih kompleksov z vključevanjem cikličnih podenot, ki pripomorejo k urejenosti in predvidljivosti sestavljanja. Ta strategija je omogočila načrtovanje večjih struktur, ki temeljijo na OV, kar predstavlja pomemben napredek na tem področju. Avtorji članka so sodelavci Odseka za sintezno biologijo in imunologijo na Kemijskem inštitutu Jaka Snoj, Fabio Lapenta in Roman Jerala.

Povezava na članek: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/sc/d3sc06658d