Chemici maken kwantumdots bij kamertemperatuur met behulp van in het laboratorium ontworpen eiwitten

De natuur gebruikt 20 canonieke aminozuren als bouwstenen om eiwitten te maken, waarbij hun sequenties worden gecombineerd om complexe moleculen te creëren die biologische functies vervullen.

Maar wat gebeurt er met de reeksen die niet door de natuur zijn geselecteerd? En welke mogelijkheden liggen er in het construeren van geheel nieuwe sequenties om nieuwe (de novo) eiwitten te maken die weinig lijken op iets in de natuur?

Dat is het terrein waar Michael Hecht, hoogleraar scheikunde, werkt met zijn onderzoeksgroep. Onlangs heeft hun nieuwsgierigheid naar het ontwerpen van hun eigen sequenties zijn vruchten afgeworpen.

Ze ontdekten het eerste bekende de novo (nieuw gecreëerde) eiwit dat de synthese van kwantumdots katalyseert (aandrijft). Quantum dots zijn fluorescerende nanokristallen die worden gebruikt in elektronische toepassingen, van LED-schermen tot zonnepanelen.

Hun werk opent de deur om nanomaterialen op een duurzamere manier te maken door aan te tonen dat eiwitsequenties die niet van de natuur afkomstig zijn, kunnen worden gebruikt om functionele materialen te synthetiseren, met uitgesproken voordelen voor het milieu.

Quantum dots worden normaal gesproken gemaakt in industriële omgevingen met hoge temperaturen en giftige, dure oplosmiddelen – een proces dat noch economisch, noch milieuvriendelijk is. Maar Hecht en zijn onderzoeksgroep voerden het proces in het laboratorium uit met water als oplosmiddel, waardoor een stabiel eindproduct ontstond bij kamertemperatuur.

“We zijn geïnteresseerd in het maken van levensmoleculen, eiwitten, die niet in het leven zijn ontstaan”, zegt Hecht, die het onderzoek leidde met Greg Scholes, de William S. Tod hoogleraar scheikunde en voorzitter van de afdeling. “In sommige opzichten vragen we ons af: zijn er alternatieven voor het leven zoals wij dat kennen? Al het leven op aarde is ontstaan ​​uit gemeenschappelijke voorouders. Maar als we levensechte moleculen maken die niet uit gemeenschappelijke voorouders zijn voortgekomen, kunnen ze dan coole dingen doen? Dus hier , we maken nieuwe eiwitten die nooit in het leven zijn ontstaan ​​door dingen te doen die in het leven niet bestaan.”

Het proces van het team kan ook de grootte van nanodeeltjes afstemmen, die de kleur bepaalt waarin kwantumstippen gloeien of fluoresceren. Dat biedt mogelijkheden om moleculen binnen een biologisch systeem te taggen, zoals het in vivo kleuren van kankercellen.

“Kwantumdots hebben zeer interessante optische eigenschappen vanwege hun afmetingen”, zegt Yueyu Yao, co-auteur van het artikel en een vijfdejaars afgestudeerde student in het laboratorium van Hecht. “Ze zijn erg goed in het absorberen van licht en het omzetten ervan in chemische energie, waardoor ze nuttig zijn om er zonnepanelen van te maken of een soort fotosensor.

“Maar aan de andere kant zijn ze ook heel goed in het uitstralen van licht op een bepaalde gewenste golflengte, waardoor ze geschikt zijn om led-schermen van te maken.”

En omdat ze klein zijn – samengesteld uit slechts ongeveer 100 atomen en misschien 2 nanometer breed – kunnen ze enkele biologische barrières doorbreken, waardoor hun bruikbaarheid in medicijnen en biologische beeldvorming bijzonder veelbelovend is.

Waarom de novo eiwitten gebruiken?

“Ik denk dat het gebruik van de novo-eiwitten een manier opent voor ontwerpbaarheid”, zegt Leah Spangler, hoofdauteur van het onderzoek en een voormalig postdoc in het Scholes Lab. “Een sleutelwoord voor mij is ‘engineering’. Ik wil eiwitten kunnen maken om iets specifieks te doen, en dit is een type eiwit waarmee je dat kunt doen.

“De kwantumdots die we maken zijn nog niet van geweldige kwaliteit, maar dat kan worden verbeterd door de synthese af te stemmen”, voegde ze eraan toe. “We kunnen een betere kwaliteit bereiken door het eiwit te ontwerpen om de vorming van kwantumdots op verschillende manieren te beïnvloeden.”

Gebaseerd op werk van corresponderende auteur Sarangan Chari, een senior chemicus in het laboratorium van Hecht, gebruikte het team een ​​de novo-eiwit dat het had ontworpen, ConK genaamd, om de reactie te katalyseren. Onderzoekers isoleerden ConK voor het eerst in 2016 uit een grote combinatorische bibliotheek van eiwitten. Het is nog steeds gemaakt van natuurlijke aminozuren, maar het kwalificeert als “de novo” omdat de volgorde geen enkele gelijkenis vertoont met een natuurlijk eiwit.

Onderzoekers ontdekten dat ConK de overleving van E. coli mogelijk maakte in anders giftige koperconcentraties, wat suggereert dat het nuttig zou kunnen zijn voor metaalbinding en sequestratie. De kwantumdots die in dit onderzoek worden gebruikt, zijn gemaakt van cadmiumsulfide. Cadmium is een metaal, dus onderzoekers vroegen zich af of ConK gebruikt zou kunnen worden om quantum dots te synthetiseren.

Hun voorgevoel heeft zijn vruchten afgeworpen. ConK breekt cysteïne, een van de 20 aminozuren, af in verschillende producten, waaronder waterstofsulfide. Dat fungeert als de actieve zwavelbron die vervolgens zal reageren met het metaal cadmium. Het resultaat is CdS-kwantumstippen.

“Om een ​​kwantumdot van cadmiumsulfide te maken, heb je de cadmiumbron en de zwavelbron nodig om in oplossing te reageren”, zei Spangler. “Wat het eiwit doet, is de zwavelbron langzaam in de loop van de tijd maken. Dus we voegen aanvankelijk het cadmium toe, maar het eiwit genereert de zwavel, die vervolgens reageert om verschillende groottes van kwantumdots te maken.”

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Procedures van de National Academy of Sciences.