Раскрытие молекулярного распознавания технологических материалов мутантными самоорганизующимися пептидами
Исследователи из Института нанобионаук (WPI NanoLSI) Университета Канадзавы (Япония) в сотрудничестве с профессором Саркаем (Сиэтл, США) использовали атомно-силовую микроскопию с частотной модуляцией (FM-AFM), чтобы раскрыть молекулярную архитектуру генетически спроектированных пептидов с точковыми мутациями. В исследовании, опубликованном в журнале Small, показано, как эти пептиды самоорганизуются, образуя на атомарно гладких поверхностях графита и MoS2 однослойные биологические кристаллы. Это открывает платформу для гибридных технологий: биоэлектроники, биосенсоров и белковых массивов.
Пептиды, как и белки, состоят из аминокислот и кодируются ДНК, но они намного короче (10–30 единиц). Это делает их удобными объектами для дизайна и манипуляций по сравнению с крупными белками. Профессор Саркай два десятилетия назад начал конвергентный подход, сочетающий генную инженерию, машинное обучение и материаловедение, для создания пептидов, связывающихся с твёрдыми материалами.
В данном исследовании исходный пептид, связывающийся с графитом, был подвергнут точечным мутациям, чтобы получить два мутанта: M6 (с отрицательно заряженной аминокислотой) и M8 (с положительно заряженной). Хотя оба мутанта имели схожий размер и молекулярную массу, их поведение предсказать заранее было невозможно.
Для получения ответов потребовалась визуализация молекул в их нативном состоянии, в воде, с высоким разрешением и в течение длительного времени (от секунд до часов). Эту задачу решила команда лаборатории профессора Такеши Фукумы в WPI NanoLSI, используя разработанную там FM-AFM с разрешением, близким к ангстрему, в водной среде.
Ключевые открытия:
- Оба мутантных пептида связывались с поверхностью графита и самоорганизовывались в однослойные пептидные кристаллы.
- Однако их кристаллические решётки различались: отрицательно заряженный M6 образовал косую решётку с двумя молекулами в каждой ячейке, а положительно заряженный M8 — другую косую решётку с одной молекулой в ячейке.
- Поведение пептидов напрямую связано с их молекулярной архитектурой, смоделированной методом молекулярной динамики.
- Исследователи математически описали связь между косыми пептидными решётками и гексагональной решёткой графита, определив её как хиральное распознавание.
- Каждый пептид формирует с графитом гибридный интерфейс, кристаллографически когерентный, без заметного зазора — подобно взаимодействию лиганд-рецептор или белок-ДНК в биологии.
Значение работы:
- Для биологии: Получены детальные данные о том, как мутации приводят к конформационным изменениям молекул и влияют на функцию пептидов. Это важно для понимания генетических мутаций и дизайна лекарств.
- Для технологий: Демонстрация когерентной гибридизации показывает, что аниматные (биологические) и инаниматные (твёрдотельные) нанообъекты могут стабильно сосуществовать на общем интерфейсе, создавая молекулярный мост для интеграции биологии с твердотельными устройствами.
Это исследование впервые с такой ясностью показало молекулярное распознавание твёрдотельных объектов «живой» молекулой и описало его как хиральное. Используя простой инструмент молекулярной биологии — мутацию, — учёные могут значительно расширить молекулярную основу для будущих био- и наноустройств.