Белки, разработанные компьютером, позволяют формировать настраиваемые гидрогели.

Когда исследователи хотят изучить, как коронавирус делает нас больными или какое воздействие на организм оказывают такие болезни, как болезнь Альцгеймера, один из способов — посмотреть, что происходит внутри отдельных клеток.

Исследователи иногда выращивают клетки в трехмерном каркасе, называемом гидрогелем. Эта сеть белков или молекул имитирует среду, в которой живут клетки внутри тела.

Новое исследование Вашингтонского университета показывает новый класс гидрогелей, которые могут образовываться не только снаружи клеток, но и внутри них. Команда создала эти гидрогели из белковых строительных блоков, созданных с помощью компьютерной инженерии, для формирования определенной структуры. Эти гидрогели продемонстрировали схожие механические свойства внутри и снаружи клеток, предоставив исследователям новый инструмент для удержания белков внутри клеток.

команда Эти результаты были опубликованы 30 января в Трудах Национальной академии наук.

«За последние 10 лет в мире клеточной биологии произошел сдвиг», — сказал старший соавтор. Коул де Форест, доцент кафедры химической и биоинженерии Университета Висконсина. «Классически люди приписывали большую часть внутренней организации клетки мембраносвязанным органеллам, таким как митохондрии или ядро. Но теперь ученые понимают, что клетка на самом деле имеет другие способы локальной концентрации определенных молекул или белков без использования мембран, например». , по взаимодействию между белком и белком. Эта концентрация позволяет клетке включать или выключать определенные функции, которые могут быть полезными или в конечном итоге привести к заболеванию».

«Что мне кажется очень интересным, так это то, что у нас есть хороший механический контроль над нашими гидрогелями — даже когда они производятся внутри человеческих клеток. Это означает, что мы можем настроить их так, чтобы они, по сути, действовали как искусственная версия любого явления изоляции, которое мы хотим». ДеФорест продолжил. Изучать, например, как накопление белка может привести к болезни Альцгеймера».

Ключевым элементом этого исследования было то, что строительные блоки белка были разработаны с нуля, которых не существует нигде в природе, с использованием компьютеров.

«Вы можете думать о белке как о цепочке субъединиц, называемых аминокислотами. Эта цепочка складывается, образуя трехмерную структуру. Существует 20 различных аминокислот, и типичный белок состоит из 100-200 из них. Это делает Белковая система очень сложна, потому как откуда знать, как она будет свернута? сказал соавтор Смерть рублякоторый завершил это исследование в качестве постдокторанта в Университете Висконсина. Институт белкового дизайна Сейчас он научный сотрудник Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы. «И здесь на помощь приходит компьютер — он выполняет расчеты, чтобы оценить наиболее вероятную трехмерную форму. Точно так же вы можете сказать ему, какую форму вы хотите, и он сообщит вам последовательность, необходимую для построения белка».

Чтобы создать множество гидрогелей с разными свойствами, команда использовала компьютерный дизайн, чтобы контролировать, насколько гибкими или жесткими являются строительные блоки белка, а также то, как строительные блоки организованы и соединены для формирования гидрогелей. Исследователи также использовали два разных метода, чтобы соединить строительные блоки вместе: один, который соединял их необратимо, и другой, который позволял белкам разделяться и повторно соединяться.

«Необратимо сшитые системы будут по своей сути более стабильными, что сделает их более подходящими для долгосрочной клеточной культуры и функциональной тканевой инженерии», — сказал ДеФорест, который также является преподавателем в Университете Висконсина. Институт молекулярной инженерии и науки И УВ Институт стволовых клеток и регенеративной медицины. «Но обратимо сшитые системы более гибки и могут лучше катализировать специфические белок-белковые взаимодействия внутри живых клеток».

Чтобы определить, обладают ли гидрогели, содержащиеся внутри клеток, сходными свойствами по сравнению с их внеклеточными аналогами, исследователи исследовали, могут ли строительные блоки внутри гидрогелей двигаться. Более жесткий гидрогель с большей вероятностью будет удерживать белки в одном положении, чем более гибкий гидрогель. Механические свойства каждого типа гидрогеля сохранялись даже внутри клетки.

Команда планирует продолжить изучение этой системы, включая возможность лучше контролировать формирование и локализацию гидрогелей внутри клеток.

По словам исследователей, наиболее важной частью этого проекта является сотрудничество между разработчиками белков и инженерами-химиками и биологами.

«Наше междисциплинарное сотрудничество с группой Коула было очень интересным, открывая возможности для новых классов биоматериалов с широким спектром применений», — сказал старший соавтор. Дэвид Беккердиректор Института белкового дизайна.

Росс Бретертон, аспирант биоинженерии Университета Висконсина, является соавтором этой статьи. Дополнительные соавторы: Джастин ДеКаронаучный сотрудник Института дизайна белков Университета Висконсина; Санмин Лидоцент Пхоханского университета науки и технологий, который завершил это исследование в качестве постдокторанта в Университете Висконсина в Институте дизайна белков; Николь Грегориоаспирант Университета Вашингтона в области биоинженерии; Наташа зависимостьаспирант Университета Вашингтона в области молекулярной и клеточной биологии; Мэгги Алриксаспирант Университета Вашингтона в области биологической физики, структуры и дизайна; Ян Сянаучный сотрудник Института дизайна белков Университета Висконсина; Дэнни Сахторуководитель группы в Институте Хубрехта, который завершил это исследование в качестве постдокторанта в Институте дизайна белков; Джордж Уэда, исполняющий обязанности преподавателя Института белкового дизайна; Элли Шарма, студентка Северо-Восточного университета; И Ребекка Шульман, доцент Инженерной школы Джонса Хопкинса. Мут и Сахто были частью Программа стипендий Вашингтонского исследовательского фонда. Это исследование финансировалось Национальным научным фондом, Bold Project, Открытым благотворительным проектом, Фондом трансляционных исследований У Цай, Центром синтеза науки в разных масштабах и Национальными институтами здравоохранения.