Бактериофаги как матрица для самосборки стабильных наноструктур
В то время как развитие биомедицины, электроники и других исследовательских направлений направлено на внедрение и использование различных наноконструкций, создание необходимых для этого наноматериалов до сих пор вызывает у специалистов затруднения.
Недавно ученые Исследовательского института Скриппса (The Scripps Research Institute, TSRI) предложили новый подход к решению этой проблемы, позволяющий создавать самособирающиеся наноконструкции на основе природных белков. Такие конструкции можно использовать во множестве практических приложений, от медицинского скрининга и до микроэлектроники.
Молекулы природных белков сворачиваются в единообразные трехмерные структуры, однако ученым до настоящего времени не удавалось воспроизвести этот процесс. Авторы предложили первый эффективный метод синтеза таких молекул в лабораторных условиях.
Ученые, работавшие с бактериофагом M13, решили изучить возможность использования биологически инертных белков, составляющих бОльшую часть частицы вируса, в качестве матрицы для создания наноконструкций. (По пропорциям фаг M13 соответствует карандашу длиной в 4 фута, «резинка» на конце которого служит для введения наследственного материала вируса в бактериальную клетку, а остальные белки оболочки биологически нейтральны.)
Исследователи химически модифицировали молекулярные выступы на поверхности белковых молекул, которые приобрели свойство притягивать и связывать компоненты, необходимые для формирования волокон полиакриламида – полимера, традиционно используемого для изготовления лабораторных гелей.
Формирующаяся в результате структура, сворачивающаяся в спираль, напоминающую молекулу ДНК или РНК, принимала форму гребенки, в качестве зубцов которой выступали молекулы полимера. Эти зубцы, в свою очередь, взаимодействовали между собой с образованием упругого резиноподобного белково-полимерного конъюгата. Получающийся материал можно разделять на слои, но практически невозможно разломать на части. Кроме того, независимо от силы сжатия, он всегда восстанавливает изначальную форму за счет прочных вирусных белков, выступающих в качестве арматуры.
Дальнейший анализ выявил дополнительные важные характеристики нового материала. Форма формирующихся гребенок не идентична – они отличаются количеством зубцов. Однако для формирования химических связей между зубцами гребенки должны располагаться на строго определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает формирование единообразных пор, ширина которых составляет 4 нм, а длина – более 1 мкм.
Такая однородность является противоположностью молекулярному хаосу, получаемому при смешивании полимерных частиц и бактериофагов без предварительной обработки последних.
Несмотря на то, что целью работы было доказательство возможности использования бактериофагов в качестве матрицы, ученые уже предложили несколько направлений использования получающихся наноструктур. Реализация предлагаемых идей не доставит специалистам большого труда, т к. фаги можно производить в огромных количествах без больших финансовых затрат, а полимерные компоненты доступны для коммерческого использования.
Каналы заданного размера, формируемые порами нового материала, можно использовать для перемещения электронов при разработке микроэлектронных приборов. Пористый материал может также пригодиться для фильтрования молекул определенного размера, например, при тестировании образцов крови на наличие определенных белков, ассоциированных с тем или иным заболеванием. К более сложным из возможных практических приложений относится изменение биологически активных регионов частиц фага, которые, взаимодействуя со специфическими молекулами, будут закреплять их внутри пор материала.
Для того, чтобы расширить спектр возможных применений новых наноконструкций, авторы уже начали изучать возможности изготовления на их основе новых материалов.
Статья B. Willis et al. Biologically templated organic polymers with nanoscale order опубликована в on-line версии PNAS.
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru по материалам TSRI
04.02.2008