Нанопоры, разработанные с нуля с использованием компьютерного проектирования белков

Нанопоры (иначе известные как трансмембранные β-баррельные поры (TMBs)) наиболее известны своей ролью в секвенировании нуклеиновых кислот — как ДНК, так и РНК. Их также можно использовать для секвенирования пептидов. Нанопоры обладают огромными преимуществами в своей способности миниатюризировать приложения для зондирования и секвенирования в портативные — размером с USB — устройства и технологии для точек оказания помощи.

Текущие подходы к проектированию нанопор ограничены природными белками, которые не являются идеальными отправными точками для разработки сенсоров. Действительно, эти белки имеют сложные требования.

Теперь исследование, проведенное Центром структурной биологии VIB-VUB в Бельгии и Медицинской школой Вашингтонского университета в Сиэтле, описывает общий подход к проектированию пор TMB с нуля — с диапазоном геометрий от овальных до квадратных и треугольных, с различными диаметрами и геометриями пор — с конечной целью контроля формы и химии на молекулярном уровне. Эта работа открывает новые возможности для аналитики отдельных молекул.

Результаты опубликованы в Наука в статье «Формирование размера и формы проводящих нанопор посредством разработки нового белка.”

«Это сотрудничество — прекрасный пример того, что возможно с дизайном белков», — отметил Дэвид Бейкер, доктор философии, профессор Медицинской школы Вашингтонского университета и исследователь HHMI. «Вместо того чтобы перепрофилировать биомолекулы из природы, мы теперь можем создавать нужные нам функции из первых принципов».

С помощью вычислительного проектирования исследователи разработали методы проектирования стабильных каналов нанопор с настраиваемыми формами, размерами и проводимостью пор. Было показано, что поры, характеризуемые ядерным магнитным резонансом и кристаллографией, являются стабильными, что открывает дверь для проектирования каналов нанопор de novo, которые подходят для многих приложений, представляющих интерес в исследованиях и промышленности. Более конкретно, конструкции «имеют различную проводимость, которая коррелирует с диаметром их пор, в диапазоне от 110 пикосименс (диаметр пор ~0,5 нанометра) до 430 пикосименс (диаметр пор ~1,1 нанометра)». В резюме отмечено, что одной из важных особенностей работы было включение разрывов во вторичную структуру для предотвращения агрегации и облегчения складывания в мембрану.

«Эти разработки очень интересны», — сказала Анастасия Воробьева, доктор наук, руководитель группы в Центре структурной биологии VIB-VUB. «Когда мы начали с этой идеей несколько лет назад, многие думали, что это невозможно, потому что дизайн и сворачивание β-листов невероятно сложны, не говоря уже о липидных мембранах. Теперь мы показали, что можем успешно проектировать нанопоры с высоким процентом успеха, которые имеют стабильную и воспроизводимую проводимость».

Команда из лаборатории Бейкера успешно разработала новые белки, которые могут специфически связывать метаболиты малых молекул. Они разделили белки на три части и соединили части в петли поры TMB. Они обнаружили, что могут напрямую обнаруживать события связывания отдельных молекул с помощью этих конструкций.

Авторы отметили, что «дизайн белков de novo в принципе может создавать неограниченное количество новых нанопор с любыми желаемыми свойствами». Эта работа развивает идею о том, что портативные устройства с различными нанопорами могут воспринимать целый ряд метаболитов, белков и малых молекул.