In-cel nano-3D-printer: synthetiseren van stabiele filamenten uit in-cel eiwitkristallen

Eiwitten zijn ongetwijfeld enkele van de meest fascinerende biomoleculen en ze vervullen veel van de functies die (in onze ogen) leven scheiden van levenloze materie. Multimoleculaire eiwitassemblages hebben zelfs structurele functies op grote schaal, zoals blijkt uit veren, haar en schubben bij dieren. Het zou geen verrassing moeten zijn dat, met de vooruitgang in geavanceerde nanotechnologie en bio-engineering, kunstmatige eiwitassemblages toepassingen hebben gevonden op verschillende gebieden, waaronder katalyse, moleculaire opslag en medicijnafgiftesystemen.

Het produceren van geordende eiwitassemblages blijft echter een uitdaging. Het is bijzonder moeilijk om monomeren, de bouwstenen van eiwitten, stabiel te laten assembleren tot de gewenste structuren; dit vereist in het algemeen een zeer nauwkeurig ontwerp en controle van de syntheseomstandigheden, zoals pH (zuurgraad) en temperatuur. Recente studies hebben manieren gevonden om dit probleem te omzeilen door eiwitkristallen – vaste moleculaire arrangementen die van nature in sommige organismen voorkomen – te gebruiken als precursormatrices om eiwitassemblages te produceren.

Bij het Tokyo Institute of Technology, Japan, heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Takafumi Ueno gewerkt aan een veelbelovende aanpak voor het synthetiseren van eiwitassemblages uit eiwitkristallen. Hun strategie omvat het introduceren van mutaties in de genetische code van een organisme dat van nature eiwitkristallen produceert. Deze mutaties veroorzaken de vorming van disulfidebindingen (SS) tussen monomeren op zeer specifieke locaties in de kristallen. De kristallen worden vervolgens opgelost, maar in plaats van zoals gewoonlijk volledig in hun individuele monomeren af ​​te breken, houden de nieuw geïntroduceerde SS-bindingen groepen monomeren bij elkaar en splitsen de kristallen zich op in veel van de gewenste eiwitassemblages. Met deze aanpak is het team van Ueno erin geslaagd om eiwitkooien en -buizen te synthetiseren door in wezen levende cellen te gebruiken als nano-3D-printers.

In hun laatste studie, die werd gepubliceerd in Angewandte Chemie International Editiondemonstreerde het team nog een andere toepassing van hun nieuwe strategie; dit keer voor de synthese van gebundelde eiwitfilamenten. Ze gebruikten een kweek van insectencellen (Spodoptera frugiperda) die waren geïnfecteerd met een virus dat overexpressie veroorzaakte van een monomeer genaamd “TbCatB”. Deze monomeren aggregeren van nature in de cellen tot eiwitkristallen, die daar bij elkaar worden gehouden door de relatief zwakke niet-covalente interacties tussen monomeren. De wetenschappers introduceerden strategisch twee mutaties in de cellen, zodat elk monomeer twee thiolgroepen (-SH) cysteïne had op kritische grensvlakken met andere monomeren.

De kristallen werden uit de cellen geëxtraheerd en men liet ze oxideren bij kamertemperatuur, waardoor de thiolgroepen door auto-oxidatie onder lucht veranderden in sterke SS-bindingen tussen aangrenzende monomeren in een enkele richting. Toen de kristallen werden opgelost, resulteerden deze disulfidebindingen, samen met enkele aanhoudende niet-covalente interacties, in de vorming van gebundelde eiwitfilamenten die twee monomeren breed waren – ongeveer 8,3 nanometer. “Met onze strategie bereikten we een zeer nauwkeurige rangschikking van eiwitmoleculen terwijl we de willekeurige aggregatie van monomeren als gevolg van ongewenste sulfidebindingen onderdrukten, en dat alles in een relatief eenvoudig eenpotsproces”, benadrukt Ueno.

Over het algemeen staat de aanpak die het team van Tokyo Tech heeft gedemonstreerd als een innovatieve manier om eiwitstructuren te synthetiseren via rationele genetische manipulatie en door gebruik te maken van de tools die van nature beschikbaar zijn voor cellen van bepaalde organismen. “We beschouwen onze synthesemethode als een nuttige stap vooruit in de wetenschap van nanobiomaterialen en supramoleculaire chemie voor het produceren van gewenste stabiele assemblages uit eiwitkristallen”, besluit Ueno. Alleen de tijd zal uitwijzen welke andere nuttige moleculaire structuren kunnen worden geproduceerd met behulp van deze strategie en welke interessante toepassingen ze zullen vinden.