Een op metaalcoördinatie gebaseerde aanpak maakt de weg vrij voor gecontroleerde synthese van belangrijke structurele eiwitmotieven

Een nieuw ontwikkelde aanpak kan nauwkeurig vierstrengige β-platen produceren door middel van metaal-peptidecoördinatie, rapporteren onderzoekers van het Institute of Science Tokyo. Hun innovatieve methodologie overwint al lang bestaande uitdagingen op het gebied van gecontroleerde β-sheetvorming, inclusief fibrilaggregatie en ongecontroleerde isomere variatie in het eindproduct.

Deze doorbraak zou de studie en toepassing van β-sheets in de biotechnologie en nanotechnologie kunnen bevorderen.

Naast de natuurlijke volgorde van aminozuren waaruit een eiwit bestaat, is hun driedimensionale opstelling in de ruimte ook van cruciaal belang voor hun functie. β-sheets, dit zijn velachtige structuren die worden gevormd via waterstofbruggen tussen aangrenzende peptidestrengen, spelen bijvoorbeeld een cruciale rol bij de stabiliteit en vouwing van eiwitten.

Ze zijn ook betrokken bij verschillende neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer. Aan de andere kant heeft de engineering van β-sheets potentiële toepassingen in de biotechnologie, geneeskunde en nanomateriaalwetenschap.

Helaas is het produceren van β-plaatassemblages met een nauwkeurig gecontroleerd aantal strengen om twee redenen behoorlijk uitdagend. Ten eerste hebben meerstrengige β-platen de neiging om samen te klonteren tot aggregaten die fibrillen worden genoemd en die gemakkelijk onoplosbaar kunnen worden en hun biologische functie kunnen veranderen of tenietdoen.

Ten tweede zijn, wanneer peptidestrengen worden gecombineerd tijdens de synthese van β-sheets, veel structurele isomeren mogelijk. Dit betekent dat de resulterende samenstellingen vaak onvoorspelbare strengoriëntaties, uitlijningen of aantallen hebben, waardoor het moeilijk wordt om alleen een specifieke doelverbinding te produceren. Om deze redenen is er een nieuwe methode nodig voor het maken van aangepaste β-sheets.

In een studie gepubliceerd in Angewandte Chemie Internationale Editie op 22 oktober 2024 ging een team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Tomohisa Sawada van het Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, op zoek naar een oplossing voor deze problemen.

Zoals gerapporteerd in hun onderzoek, ontwikkelden ze een veelbelovende aanpak om vierstrengige β-platen te produceren met behulp van zilveratomen als metaal-peptide-coördinatiecentra.

De onderzoekers ontwikkelden een pentapeptide, eenvoudigweg ‘1’ genoemd, waarbij de tweede en vierde resten 3-pyridyl-gesubstitueerde alanineresten waren. De pyridylgroepen, die aan weerszijden van de hoofdketen waren geïntroduceerd, dienden als metaalcomplexeringsplaatsen voor de zilveratomen.

Bij toevoeging van zilver (Ag) zouden twee ‘1’-moleculen combineren om een ​​Ag te vormen₂(1)₂ ring als een hypothetisch tussenproduct. Interessant is dat vanwege de omkeerbaarheid van de metaalcoördinatie tijdens de reactie paren van Ag₂(1)₂ ringen eindigen in een onderling verbonden toestand, waarbij waterstofbruggen tussen aangrenzende pentapeptiden de algehele β-sheetstructuur bij elkaar houden.

Het team bevestigde de succesvolle synthese van deze in elkaar grijpende structuren, [Ag₂(1)₂]₂via nucleaire magnetische resonantie en röntgenkristallografische metingen. Het meest opmerkelijke is dat de geproduceerde vierstrengige β-vellen zonder aggregatie convergeerden naar een enkel type isomere structuur.

Simpel gezegd waren alle β-strengen gemaakt van twee in elkaar grijpende ringen, waarbij de eerste en derde streng in de ene richting wezen en de tweede en vierde streng in de andere richting. De relatieve posities van de in elkaar grijpende metaalcomplexeringsplaatsen waren ook gelijk voor alle geproduceerde β-strengen.

“Onze resultaten toonden aan dat de combinatie van de vorming van β-sheet amide-waterstofbindingen en metaalverknoping van zijketens het aantal mogelijke isomeren beperkt. Met andere woorden, we toonden aan dat niet-covalente verknoping van zijketens zeer selectieve enkelvoudige verbindingen kan veroorzaken.” structureer β-sheets in een discrete vorm”, zegt Sawada.

De bevindingen die in dit onderzoek worden gepresenteerd, zouden de studie van β-sheets eenvoudiger kunnen maken, waardoor hun potentieel in de volgende generatie biotechnologie en nanotechnologie wordt ontsloten.

“Voor zover wij weten is dit het eerste voorbeeld van de precieze constructie van een vierstrengige β-plaat die alleen uit niet-covalente interacties is samengesteld. Wij geloven dat onze inspanningen de weg vrijmaken voor de rationele constructie van β-plaatstructuren en functioneert in de toekomst”, besluit Sawada.