В природе различные прочные материалы, из которых состоят раковины морских моллюсков, зубы и кости, образуются за счет процесса биоминерализации, в котором за счет некоторых белков в состав тканей вводятся металлы и другие химические элементы. Однако, все тонкости таких процессов превращений белков были изучены до последнего времени крайне и крайне слабо. Но недавно, группе исследователей из Института физико-химических исследований RIKEN и Городского университета Йокогамы, Япония, удалось пролить свет на загадки процессов естественной биоминерализации. Более того, эти ученые при помощи специального синтетического белка создали нанокристалл хлорида кадмия, самый маленький кристалл в мире на сегодняшний день, состоящий всего из 19 атомов, зажатых между двумя молекулами синтетического белка.
В 2014 году эти же ученые объявили о создании синтетического белка под названием Pizza6, который весьма походит на пиццу, порезанную на шесть равных частей. Целью этих ученых являлось создание молекул белков, которые не существуют в природе и которые могут быть использованы во множестве различных областей. Такие белки, как Pizza6, имеющие высокую степень симметрии, не могут образовываться естественным путем, но они являются основой для создания новых гибридных биоматериалов, которые могут служить своего рода контейнерами для доставки лекарственных препаратов, могут поглощать или разлагать опасные биоматериалы, попавшие в окружающую среду в результате техногенных катастроф или по другим причинам.
В новых исследованиях ученые внесли изменения в структуру белка Pizza6, внедрив в них связующие металлосодержащие участки.
“В начале мы рассчитывали использовать эти металлические связывающие участки для управления процессом самосборки наших симметричных синтетических белков” – рассказывает Арнут Воету (Arnout Voet), ведущий исследователь, – “При этом мы предварительно все рассчитали с высокой степенью точности на компьютере, который показал нам, что мы получили принципиально новый инструмент, позволяющий с нуля строить другие новые белки”.
Поместив измененные молекулы белка Pizza6 в раствор хлорида кадмия, исследователи обнаружили, что молекулы белка спонтанно связались друг с другом. При помощи синхротрона SPring-8 и других инструментов ученые выяснили, что атомы кадмия и хлора образовали крошечную кристаллическую решетку, крошечный кристалл, зажатый между двумя молекулами белка Pizza.
“Мы, наконец, смогли зарегистрировать факт образования кристалла, что дает на некоторые подсказки относительно сути процессов биоминерализации. И если природа использует такие процессы для создания прочных тканей, то мы сможем найти ему применение в деле производства широкого ряда наноустройств и наноматериалов, таких как биопрепараты, биодатчики, оптические переключатели, синтетические ферменты и многого другого” – рассказывает Кам Жанг (Kam Zhang), ученый, возглавлявший исследовательскую группу RIKEN.
“Сейчас у нас имеется множество идей о дальнейших направлениях наших исследований. И мы продолжим исследовать все экзотические свойства новых синтетических белков, которые однажды можно будет использовать на пользу людям”.