Baanbrekende spiegelbeeld-nanoporiën openen de deur naar nieuwe biomedische toepassingen

Voor het eerst hebben onderzoekers met succes een volledig functionele spiegelbeeld-nanoporie gefabriceerd en gekarakteriseerd – een moleculaire poort die volledig is opgebouwd uit D-aminozuren, de spiegelbeeldvormen van de natuurlijke bouwstenen van eiwitten. Het werk, geleid door prof. dr. Kozhinjampara R. Mahendran van het Rajiv Gandhi Center for Biotechnology (India) in samenwerking met Constructor University en andere partners, toont niet alleen een belangrijke mijlpaal in de nanowetenschappen aan, maar opent ook veelbelovende biomedische toepassingen, waaronder potentiële kankertherapieën.

Eiwitten in de natuur zijn bijna uitsluitend opgebouwd uit L-aminozuren, terwijl hun D-aminozuur-tegenhangers gewoonlijk slechts een ondergeschikte rol spelen. Het construeren van volledige eiwitten uit D-aminozuren is een enorme uitdaging, maar biedt toch opvallende voordelen: dergelijke spiegelbeeldstructuren zijn vaak beter bestand tegen afbraak en kunnen op een andere manier interageren met biologische systemen.

In deze studie ontwierp het team een ​​synthetische, stabiele en goed gedefinieerde D-peptideporie genaamd DpPorA. Opmerkelijk is dat ze, door de ladingsverdeling aan te passen, superieure versies van deze poriën konden creëren met verbeterde geleiding en selectiviteit onder verschillende zoutomstandigheden.

Uit experimenten is gebleken dat deze poriën een breed spectrum aan biomoleculen op het niveau van één molecuul kunnen detecteren, waaronder peptiden, cyclische suikers en bepaalde eiwitten, waaronder een eiwit dat centraal staat in het onderzoek naar de ziekte van Parkinson. Fluorescentiebeeldvorming bevestigde dat de poriën grote, flexibele kanalen in membranen vormen, waardoor grootte-afhankelijk transport van moleculen mogelijk wordt.

“Onze simulaties leverden het beeld op moleculair niveau op dat nodig is om te bewijzen dat deze spiegelbeeldporiën exacte tegenhangers zijn van hun natuurlijke analogen”, zegt prof. dr. Ulrich Kleinekathöfer, hoogleraar natuurkunde aan de Constructor Universiteit in Bremen en co-auteur van de studie. gepubliceerd in Natuurcommunicatie. “Dit begrip was essentieel om de experimenten uit te leggen en zal in de toekomst het ontwerp van verbeterde porievarianten begeleiden.”

De simulaties uitgevoerd door wetenschappers van de Constructor University waren van cruciaal belang voor het verifiëren van de architectuur van de spiegelbeeldporie. Door de D-porie te vergelijken met zijn natuurlijke L-tegenhanger, bevestigden de onderzoeken naar de moleculaire dynamica dat de twee perfecte structurele reflecties zijn, terwijl ze ook subtiele verschillen in geleiding en selectiviteit verklaarden die in de experimenten werden waargenomen.

“Het computationele werk gaf ons het vertrouwen dat we inderdaad naar een echte spiegelbeeldporie keken”, legt Dr. Kalyanashis Jana uit, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Kleinekathöfer en eveneens bijdragende eerste auteur van het artikel.

Naast de fundamentele wetenschap suggereren de resultaten een opwindend biomedisch potentieel. In celstudies vertoonden fluorescent gelabelde spiegelbeeldporiën sterke membraanverstorende effecten in kankercellen, maar hadden geen invloed op normale cellen, wat duidt op selectieve cytotoxiciteit die op een dag zou kunnen worden benut voor kankertherapie.

De studie weerspiegelt ook de continuïteit van wetenschappelijke samenwerking over grenzen en generaties heen. Zowel Mahendran als zijn collega Dr. Harsha Bajaj behaalden hun doctoraat onder Prof. Dr. Mathias Winterhalter aan de voormalige Jacobs Universiteit Bremen (nu Constructor Universiteit). Tegenwoordig blijven ze samenwerken met wetenschappers van Constructor University, wat een voorbeeld is van de langdurige netwerken van expertise die de wetenschappelijke vooruitgang stimuleren.