AI & computing › AI-ontworpen materialen
Kunstmatig eiwit-molecuulpaar opent deur naar poreuze materialen op maat
Duitse en Franse onderzoekers hebben een kunstmatig molecuul ontwikkeld dat zich precies aan een speciaal eiwit vastklikt. Het duo vormt een soort universeel bouwblokje waarmee grotere, poreuze structuren te maken zijn. Dat opent perspectief op nieuwe materialen die bijvoorbeeld nanodeeltjes kunnen vasthouden.
Eiwitten zijn de bouwstenen van het leven. Ze vouwen zich in complexe vormen en kunnen zich aaneenrijgen tot grotere structuren. Wetenschappers willen dat principe al langer gebruiken om zelf nieuwe materialen te ontwerpen. Het probleem: eiwitten precies laten aansluiten op kunstmatige moleculen is lastig, omdat er meestal geen groot, duidelijk omschreven contactvlak tussen de twee is.
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van chemicus Ivan Huc van de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München heeft daar nu een oplossing voor gevonden. Samen met collega's uit Berlijn, Bordeaux en Nantes ontwikkelden de onderzoekers een paar bestaande uit een kunstmatig molecuul en een eiwit dat er specifiek aan bindt. Ze publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Chemistry.
Een kunstmatig molecuul dat vouwt als een eiwit
Centraal in het onderzoek staat een zogeheten foldamer: een synthetisch molecuul dat, net als een natuurlijk eiwit, in een vaste vorm vouwt. In dit geval krijgt het de vorm van een spiraalvormige helix. Om een geschikte eiwitpartner te vinden, doorzochten de onderzoekers met een techniek genaamd ribosome display honderden miljarden verschillende eiwitvarianten. Na vier selectierondes bleef één kandidaat over: variant C10 van een eiwit-bouwsteen die bekendstaat als Nanofitin.
Die C10-variant bindt sterk aan de rechtsdraaiende vorm van de foldamer-helix, de zogeheten P-helix. Opvallend genoeg bindt hetzelfde eiwit helemaal niet aan de spiegelbeeldige, linksdraaiende M-helix. Dat verschil laat zien hoe precies de herkenning tussen eiwit en molecuul verloopt. Eiwit en foldamer raken elkaar bovendien over een groot, scherp gedefinieerd oppervlak. Eerdere pogingen tot vergelijkbare combinaties waren minder stabiel of hadden flexibele tussenstukjes nodig om te werken.
Van los duo tot compleet netwerk
Met technieken als NMR-spectroscopie en röntgenkristallografie brachten de onderzoekers precies in kaart hoe eiwit en foldamer in elkaar grijpen. Massaspectrometrie hielp om ook grotere complexen te analyseren. Vervolgens bouwden ze met de bouwstenen grotere structuren: één foldamer kon twee losse eiwitten tegelijk vasthouden, en gekoppelde eiwitparen konden op hun beurt twee foldameren binden. Zo ontstonden ringvormige structuren en een zigzaggend netwerk in kristallen.
De lengte van de foldamer bleek te bepalen hoe ver de gebonden eiwitten uit elkaar liggen en in welke richting ze staan. Computeranalyse van het kristalrooster toonde bovendien dat de structuren behoorlijk poreus zijn: de grootste holtes zijn groot genoeg voor bolvormige objecten van zo'n vijf nanometer doorsnede, zoals nanodeeltjes of grote moleculen.
Op maat gemaakte materialen
Volgens Huc laat het onderzoek zien dat foldameren kunnen dienen als precieze verbindingsstukken voor eiwitstructuren. Omdat hun lengte en chemische samenstelling naar wens aan te passen zijn, zouden ze in de toekomst kunnen helpen bij het bouwen van poreuze driedimensionale materialen, eventueel met extra functionele groepen erin verwerkt. Ook denken de onderzoekers aan een andere toepassing: natuurlijke eiwitten uitrusten met een foldamer-bindingsplek, zodat foldameren die eiwitten bij elkaar brengen of juist op een vaste afstand houden. Dat zou mogelijk invloed hebben op hoe die eiwitten in het lichaam functioneren.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze combinatie van een kunstmatig molecuul en een specifiek eiwit vormt een soort modulair bouwblok waarmee wetenschappers gecontroleerd grotere structuren kunnen opbouwen. Dat kan de weg vrijmaken voor poreuze materialen die op maat worden ontworpen, bijvoorbeeld om nanodeeltjes vast te houden of om stoffen gericht af te geven. Op langere termijn kan dezelfde aanpak ook helpen om natuurlijke eiwitten in het lichaam gericht te positioneren.
- Foldamer
- Een kunstmatig molecuul dat, net als een eiwit, in een stabiele vorm vouwt, in dit onderzoek in een spiraalvormige helix.
- Nanofitin
- Een kleine, stabiele eiwit-bouwsteen die als basis dient voor het speciaal geselecteerde bindingseiwit in dit onderzoek.
- Ribosome display
- Een biochemische selectiemethode waarmee onderzoekers uit honderden miljarden eiwitvarianten degene vinden die het beste aan een doelmolecuul bindt.
- P-helix en M-helix
- De rechtsdraaiende (P) en linksdraaiende (M) spiegelbeeldvormen van een spiraalvormig molecuul; ze zien er hetzelfde uit maar zijn niet identiek.
- NMR-spectroscopie
- Een techniek die met magneetvelden en radiogolven de structuur van moleculen in kaart brengt.
- Röntgenkristallografie
- Een methode waarbij röntgenstraling door een kristal wordt gestuurd om de exacte positie van atomen in een molecuul te bepalen.
- Massaspectrometrie
- Een techniek die de massa van moleculen meet om hun samenstelling en grootte te bepalen.
- Porositeit
- De mate waarin een materiaal holtes of gaatjes bevat; hoge porositeit betekent veel open ruimte in de structuur.
- Nanometer
- Een lengtemaat van een miljardste meter, gebruikt om extreem kleine structuren zoals moleculen en nanodeeltjes te beschrijven.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
