Selbstorganisierende Proteinfilamente, die von Grund auf neu entwickelt und gebaut wurden.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler aus dem Nichts selbst zusammengesetzte Proteinfilamente entwickelt.

Diese wurden aus identischen Protein-Untereinheiten konstruiert, die spontan zu langen, schraubenförmigen, fadenförmigen Strukturen zusammenschnappen.

In der natürlichen Welt sind Proteinfilamente wesentliche Bestandteile mehrerer struktureller und beweglicher Teile in lebenden Zellen sowie vieler Körpergewebe.

Dazu gehören die Zytoskelette, die den Zellen ihre Form geben, die zellulären Mikrotubuli, die die Zellteilung in Gang setzen, und das häufigste Protein in unserem Körper, Kollagen, das unserem Knorpel, unserer Haut und anderen Geweben Kraft und Flexibilität verleiht.

„Die Möglichkeit, Proteinfilamente von Grund auf neu zu entwickeln – oder de novo – wird uns helfen, die Struktur und Mechanik natürlich vorkommender Proteinfilamente besser zu verstehen, und es uns auch ermöglichen, völlig neue Materialien zu entwickeln, die es in der Natur nicht gibt“, sagte David Baker, Professor für Biochemie an der University of Washington School of Medicine und Direktor des UW Institute for Protein Design, der das Projekt leitete. Er ist auch ein Howard Hughes Medical Institute Ermittler.

Solche Materialien können Kunstfasern beinhalten, die der Festigkeit von Spinnenseide entsprechen oder diese übertreffen, die nach Gewicht stärker ist als Stahl, sagte Baker. Er erwähnte auch die Möglichkeit von nanoskaligen Drahtverbindungen.

Für die Konstruktion der Filamente verwendeten die Forscher ein im Baker-Labor entwickeltes Computerprogramm namens Rosetta, das die Form eines Proteins aus seiner Aminosäuresequenz vorhersagen kann.

Damit Proteine richtig funktionieren, müssen sie sich in eine präzise Form falten. Diese Faltung wird durch die Eigenschaften der einzelnen Aminosäuren und die Art und Weise, wie sie miteinander und mit der umgebenden flüssigen Umgebung interagieren, bestimmt. Die Anziehungs- und Abstoßungskräfte treiben das Protein in einer Form zur Ruhe, die das niedrigste Energieniveau hat.

Durch die Berechnung, welche Form diese Anziehungs- und Abstoßungskräfte ausgleichen würde, um das niedrigste Gesamtenergie-Niveau zu erreichen, kann Rosetta mit hoher Genauigkeit vorhersagen, welche Form ein Protein in der Natur annehmen wird.

Mit Rosetta machten sich die Forscher daran, kleine Proteine zu entwerfen, die Aminosäuren auf ihrer Oberfläche hatten, die sie dazu bringen würden, sich aneinander zu binden. Dadurch konnten sie sich zu einer Wendel zusammenfügen, indem sie wie Stufen in einer Wendeltreppe ausgerichtet wurden. Damit die Helix stabil bleibt, bindet das entworfene Protein andere Kopien, die über und unter ihr positioniert sind, während sich die Helix um sie herum windet, Schicht auf Schicht.

„Wir waren schließlich in der Lage, Proteine zu entwerfen, die wie Legos zusammenbrechen würden“, sagte Hao Shen, Doktorand am UW Molecular Engineering & Sciences Institute. Er und Jorge Fallas, ein stellvertretender Dozent für Biochemie an der UW School of Medicine, sind Hauptautoren eines Papiers, das den Ansatz beschreibt.

Dieses Papier wird am Donnerstag, den 8. November 2018, von der Zeitschrift Science online veröffentlicht.

Fallas sagte, dass die entworfenen Proteine relativ klein sind. Sie bestehen nur aus etwa 180 bis 200 Aminosäuren und messen nur etwa einen Nanometer Länge, bauen sich aber zu stabilen Filamenten zusammen, die mehr als 10.000 Nanometer lang sind. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, oder etwa die Breite von 10 Wasserstoffatomen, die nebeneinander angeordnet sind.

Die Forscher zeigten auch, dass sie durch das Basteln an der Konzentration des entworfenen Proteins in der Lösung und durch Hinzufügen von Kappen, die die Bindungsfähigkeit des Designs hemmten, die Filamente zum Wachsen oder Zerlegen bringen könnten.

„Die Fähigkeit, die Dynamik der Filamentbildung zu programmieren, wird uns Einblicke geben, wie die Filamentmontage und -demontage in der Natur geregelt ist“, sagt Baker. „Die Stabilität dieser Proteine deutet darauf hin, dass sie als leicht modifizierbare Gerüste für eine Reihe von Anwendungen dienen könnten, die von neuen diagnostischen Tests bis hin zur Nanoelektronik reichen.“

Mehr Informationen:
„De novo Design of self-assembling helical protein filaments“ Wissenschaft (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aau377575

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