Создан белок «Качели» — шаг к умным молекулам в медицине и нанотехнологиях

Исследователи создали первый искусственный транспортный белок, который переносит отдельные атомы через клеточные мембраны. Это открывает путь к разработке нового класса «умных» молекул для применения в нанотехнологиях, медицине и других областях.

Исследование опубликовано 19 декабря в журнале Science. Работа выполнена учёными из Дартмутского колледжа, Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Массачусетского технологического института и Национального института науки, образования и исследований Индии.

Клеточная мембрана — это непроницаемый барьер. Транспортные белки в ней служат «привратниками», избирательно пропуская вещества внутрь и наружу. Хотя биологи знают о них десятилетиями, точный механизм их работы оставался не до конца ясным.

Целью работы было «с нуля» создать искусственный транспортный белок, чтобы понять принцип его работы и заложить основу для инженерии новых функциональных молекул.

• Компьютерный дизайн: Учёные разработали новые вычислительные методы для моделирования молекулярной физики. С помощью компьютерного моделирования они спроектировали белок, который должен был переносить ионы цинка (Zn²⁺) в одном направлении через мембрану, одновременно перекачивая протоны (H⁺) в другом.
• Создание и проверка: На основе этой «цифровой» модели белок был синтезирован в лаборатории. Его назвали «Rocker» («Качели») из-за предсказанного механизма работы: белок должен был «раскачиваться» между двумя конформационными состояниями, чтобы перемещать атомы.
• Результаты: Эксперименты подтвердили, что Rocker действительно транспортирует цинк и протоны и «раскачивается» между двумя состояниями, как и было задумано. Кроме того, он проявил высокую селективность, не перенося ионы кальция (Ca²⁺).

«Наши результаты — важный шаг вперёд, — говорит соавтор работы Геворг Григорян. — Они демонстрируют, что с помощью компьютерного моделирования для точного управления атомной структурой и молекулярной динамикой теперь можно создавать белки, выполняющие сложные функции, сопоставимые с функциями природных молекулярных машин. Наша работа также представляет собой веху в проектировании и понимании мембранных белков — особенно сложного класса белков».

Это достижение прокладывает путь к созданию белков с заданными функциями для применения в терапии, «умных» материалах и решениях в области чистой энергии.