artykuł

Matematycznie niemożliwe syntetyczne białkowe klatki

Matematyk powiedziałby, że taki 24-ścian może i da się złożyć z 24 pięciokątów, ale nie z samych 11-kątów. 11-kąty bowiem to nie są figury, które wystarczą, aby zbudować wielościan. Co jednak nie jest możliwe w sztywnym świecie matematyki, jest – jak się okazuje – możliwe do wykonania w świecie giętkich białek. Białka są bowiem na tyle elastyczne, że drobne nieregularności, jakie w bryle występują, udaje się łatwo zatuszować. Co więc matematykom wydawało się niemożliwe, udało się wykonać biologom.

Zaprojektowana przez zespół białkowa “złota klatka” składa się z 264 jednakowych białek (TRAP) spiętych w 11-kątne pierścienie. 24 takie pierścienie łączy ze sobą 120 “złotych spinek” – pojedynczych jonów złota.

An ultra-stable gold-coordinated protein cage displaying reversible assembly

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1185-4

Artykuł w pliku pdf – s41586-019-1185-4

Formation of TRAP-cage. From: An ultra-stable gold-coordinated protein cage displaying reversible assembly a, Structure of the TRAP(K35C/R64S) building block, shown in two orthogonal views (based on PDB ID: 4V4F). Substituted residues Cys35 and Ser64 are modelled as red and grey spheres, respectively. b, Chemical structure of Au-TPPMS. c, Results of size-exclusion chromatography, with 1 mM (monomer concentration) TRAP(K35C/R64S) before (blue) and 3 days after (red) reaction with Au-TPPMS. mAU, milli absorbance units. d, Transmission electron microscopy (TEM) images of unreacted TRAP(K35C/R64S) showing aggregates with no evidence of cage structures (left) and cages purified by size-exclusion chromatography after mixing TRAP(K35C/R64S) and Au-TPPMS (right). Scale bars, 100 nm. e, Top, monitoring TRAP-cage assembly with single-molecule mass photometry. The insets show representative single-particle images of partially (left) and fully assembled (right) cages. Scale bars, 1 µm. Bottom, extracted assembly kinetics. The horizontal error bars represent 15 s, as dictated by the length of a single measurement; the vertical error bars show the standard error on the area of Gaussian fit, calculated from the covariance matrix of the fit parameters. The inset shows results for TRAP(K35C/R64S) without addition of Au-TPPMS, exhibiting mostly monomeric TRAP (11-mer) rings (90 kDa), with weak signatures of small oligomeric assemblies thereof. f, Cryo-electron microscopy density maps of the left-handed and right-handed forms of TRAP-cage, refined to 3.7 Å resolution. g, Cutaway view of the left-handed map, showing a hollow interior. h, Snub cube (left-handed and right-handed forms) consisting of 32 regular triangles and 6 square faces. The four-, three- and two-fold rotational axes are represented in blue, yellow and red, respectively. i, Magnified view of the left-handed map showing 11-fold rotational symmetry of ring elements and prominent density bridges connecting adjacent rings. Positions 1–10 make contacts with neighbouring rings, whereas 11 is unattached and defines the side of a square aperture. j, Refined left-handed cage model, consisting of 24 TRAP(K35C/R64S) rings, with each ring positioned on the vertex of a snub cube (wire model). Three views are indicated, centred on the (from left to right) two-, three- and four-fold symmetry axes.

Naukowcom, w tym zespołowi z UJ, udało się zbudować nanometrowej wielkości białkową klatkę, w której fragmenty z białek spięte są jonami złota. Badacze otrzymali bryłę “matematycznie niemożliwą” – niemal regularny wielościan archimedesowy. Rozwiązanie opublikowane w “Nature” może się przydać np. do dostarczania leków do komórek.

Zespołowi kierowanemu przez prof. Jonathana Heddle`a z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego udało się zaprojektować i zbudować niespotykaną w przyrodzie białkową klatkę o średnicy 22 nanometrów.

Taki maleńki, pusty w środku kompleks białkowy ma ciekawe właściwości. “Jest niewiarygodnie stabilny” – mówi w rozmowie z PAP prof. Heddle. Klatka nie rozpadnie się nawet, jeśli będzie gotowana w wodzie przez kilka godzin. A w dodatku jest odporna na działanie kwasów i zasad (pH 3-12) i świetnie rozpuszcza się w wodzie. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym “Nature”.

Naukowcy liczą na to, że w takich klatkach będzie można dostarczać do komórek potrzebne tam substancje i w warunkach kontrolowanych je uwalniać. We wnętrzu białkowej klatki – o wielkości zbliżonej do wirusa – można zamknąć niezwykłe skarby. Zmieści się tam nawet kilkadziesiąt cząsteczek białka, kwasy nukleinowe czy np. leki. Choć obiekt jest stabilny, to świetnie wiadomo, jak taką “złotą klatkę” otworzyć. Wiązania ze złotem rozpadają się bowiem w warunkach, jakie panują chociażby wewnątrz komórki.

Już samo wyprodukowanie sztucznego białka jest sztuką. Ale to nie wszystko, co udało się międzynarodowemu zespołowi pokazać. Okazuje się, że białkowe podjednostki tworzące tę strukturę nie są ze sobą sklejone ani splątane, jak to zwykle w białkach bywa. Połączone są ze sobą bardzo elegancko – jedynie dzięki wiązaniom z jonów złota. Dzięki temu z białek takich łatwiej wytwarzać struktury o kontrolowanych kształtach. “Wchodzimy na kolejny poziom, jeśli chodzi o kontrolę w wytwarzaniu sztucznych klatek białkowych” – komentuje prof. Heddle.

Kolejną ciekawostką związaną ze “złotą białkową klatką” jest to, że obiekt ten na pierwszy rzut oka może się matematykom wydać obiektem… niemożliwym do wykonania. “Geometria tej klatki jest sprzeczna z prawami matematyki” – mówi PAP współautor badania dr Artur Biela z UJ.

I wyjaśnia, że białkowa klatka składa się z 24 jednakowych 11-kątnych pierścieni białkowych połączonych jonami złota. Z nich udało się złożyć w przestrzeni 24-ścian. Bryłę archimedesową… No prawie…

Matematyk powiedziałby, że taki 24-ścian, jaki zaprezentowano w „Nature” może i da się złożyć z 24 pięciokątów, ale nie z samych 11-kątów. 11-kąty bowiem to nie są figury, które wystarczą, aby zbudować wielościan. Co jednak nie jest możliwe w sztywnym świecie matematyki, jest – jak się okazuje – możliwe do wykonania w świecie giętkich białek. Białka są bowiem na tyle elastyczne, że drobne nieregularności, jakie w bryle występują, udaje się łatwo zatuszować. Co więc matematykom wydawało się niemożliwe, udało się wykonać biologom.

Zaprojektowana przez zespół białkowa “złota klatka” składa się z 264 jednakowych białek (TRAP) spiętych w 11-kątne pierścienie. 24 takie pierścienie łączy ze sobą 120 “złotych spinek” – pojedynczych jonów złota.

Wydawać się może, że złoto – w końcu metal szlachetny – nie reaguje z innymi pierwiastkami. Prof. Heddle tłumaczy jednak, że nanocząstki złota oraz jony tego pierwiastka są w stanie wchodzić w reakcję. I tę właśnie właściwość naukowcy wykorzystali do budowy całkiem nowatorskich klatek białkowych.

Naukowcy nie tylko zaprojektowali białko, ale również wyprodukowali je, dokładnie poznali jego strukturę i zbadali jego właściwości. W dalszych badaniach chcą modyfikować swoje białkowe “złote klatki” tak, by nadawać im kolejne pożądane właściwości. Np. takie, które bezpiecznie zaprowadzą taką białkową szkatułkę w pożądane miejsce w organizmie i w odpowiednim momencie ją otworzą.

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

Print Friendly, PDF & Email
Zapraszam na

Andrzej Zykubek

Andrzej Zykubek, biolog i filozof, nauczyciel i miłośnik filozofii przyrody, dyskutujący ewolucjonista, zainteresowany genezą życia i umysłu poszukiwacz zatrudniony w Katedrze Filozofii Nauk Przyrodniczych KUL. Sympatyk torfowisk, rowerów i górskich wędrówek, wypraw kajakowych i bardzo dobrej muzyki.
Wieloletni Członek Komitetu Organizacyjnego i organizator Lubelskiego Festiwalu Nauki, a także wielu konferencji naukowych, wykładów i warsztatów. Prowadzi kilka stron www i serwisów społecznościowych, m.in. Wydziału Filozofii KUL i kognitywistyki KUL.
Wbrew pseudonimowi nadanemu mu przez studentów lubi innych przedstawicieli gatunku Homo sapiens sapiens.
Zapraszam na

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.