Zelf-geassembleerde dodecahedrale nanostructuur heeft 60 metaalionen en peptide-liganden

Het beheersen van de topologie en structuur van verwarde moleculaire strengen is een belangrijke uitdaging in moleculaire engineering, met name bij het proberen grote nanostructuren te creëren die biologische systemen nabootsen. Voorbeelden in de natuur, zoals viruscapsiden en vrachteiwitten, tonen het opmerkelijke potentieel van dergelijke architecturen aan. Methoden voor het construeren van grote holle nanostructuren met precieze geometrische controle zijn echter ongrijpbaar gebleven – tot nu toe.

Een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Tomohisa Sawada van het Institute of Science Tokyo, Japan, heeft met succes een moleculaire sferische schaalstructuur geconstrueerd met de geometrische topologie van een reguliere dodecaëder.

Dit baanbrekende werk, dat online werd gepubliceerd in het tijdschrift Chembeschrijft hoe de onderzoekers deze grote structuur creëerden, met een buitendiameter van 6,3 nanometers, door de verstrengeling van peptiden met metaalionen.

“De synthese van deze zeer complexe structuur was gebaseerd op geometrische overwegingen en voorspellingen, wat leidt tot het voorstel van een nieuw concept: de geometrische controle van chemische structuren”, legt Sawada uit.

De aanpak van het team combineerde twee verschillende wiskundige kaders, namelijk knooptheorie en grafietheorie, om de zelfassemblage van een ongekende dodecaëderverbinding te voorspellen en vervolgens te bereiken met een verstrengeling van 60 kruisingen, samengesteld uit 60 metaalionen en 60 peptide liganden (of m₆₀L₆₀).

De onderzoekers hadden eerder kleinere structuren gemaakt met tetraëdrische en kubieke links. Er ontstond echter een meer complexe dodecaëderlink nadat ze verdere wijzigingen in de peptidevolgorde hadden geïntroduceerd tijdens pogingen om M te functioneren₂₄L₂₄een kleinere kubieke link.

Röntgenkristallografische analyse onthulde dat de resulterende m₆₀L₆₀ Metaal-peptide-schaal bevat een binnenholte van ongeveer 4,0 nanometer (ongeveer 34.000 ų), die groot genoeg is om macromoleculen zoals eiwitten of nanomaterialen in te kapselen.

Buiten de indrukwekkende structurele complexiteit, de M₆₀L₆₀ Shell vertoonde opmerkelijke stabiliteit tegen warmte, verdunning en oxidatieve omstandigheden, die de onderzoekers toeschreven aan zijn unieke verwarde netwerkstructuur.

Het team heeft ook aangetoond dat het oppervlak van de capsid kan worden gewijzigd met verschillende functionele groepen met behoud van de structurele integriteit, waarbij de openingsroutes voor aanpassing op basis van specifieke behoeften worden geopend.

Deze functies maken m₆₀L₆₀ Een veelbelovend platform voor verschillende toepassingen, waaronder systemen voor medicijnafgiftes en moleculair transport.

“Gezien de diversiteit en modificeerbaarheid van peptidestructuren, is onze methode overweldigend voordelig in vergelijking met DNA -origami -technologie in termen van functionaliserende structuren,” benadrukt Sawada.

“Bovendien, aangezien onze aanpak theoretische voorspelling en proef- en ere-experimenten inhoudt, worden soms verbazingwekkende structuren ver buiten onze verwachtingen verkregen-dit is de essentie van chemie.”

Over het algemeen vormt dit onderzoek een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van het construeren van kunstmatige virus-capside-achtige structuren.

“Onze bevindingen breiden de basis van peptide-engineering aanzienlijk uit en zullen naar verwachting enorme effecten hebben op verschillende gebieden, waaronder moleculaire zelfassemblage, materiaalchemie en wiskundige theorieën,” concludeert Sawada.

De onderzoekers streven nu naar nog ambitieuzere structuren, die m instellen₁₈₀L₁₈₀ en m₂₄₀L₂₄₀ Assemblies met respectievelijk 180 en 240 kruisingen als hun volgende uitdagingen.