Значительный прогресс в молекулярной инженерии позволил создать наноструктуру с большой полой сферической оболочкой путем самосборки пептидов и ионов металлов, сообщают исследователи из Японии. Эта додекаэдрическая структура звеньев диаметром 6,3 нанометра была достигнута путем сочетания геометрических принципов, полученных из теории узлов и теории графов, с пептидной инженерией. Полученная структура демонстрирует замечательную стабильность, обладая при этом большой внутренней полостью, подходящей для инкапсуляции макромолекул, что открывает пути для получения сложных искусственных вирусных капсидов.
Управление топологией и структурой запутанных молекулярных цепей является ключевой задачей в молекулярной инженерии, особенно при попытках создания крупных наноструктур, имитирующих биологические системы. Примеры, найденные в природе, такие как вирусные капсиды и грузовые белки, демонстрируют замечательный потенциал таких архитектур. Однако методы построения больших полых наноструктур с точным геометрическим контролем оставались неуловимыми - до сих пор.
В недавнем исследовании исследовательская группа, возглавляемая доцентом Томохисой Савадой из Токийского научного института, Япония, успешно сконструировала молекулярную сферическую оболочечную структуру с геометрической топологией правильного додекаэдра. Эта новаторская работа, которая была опубликована онлайн в журнале Chem 01 мая 2025 года, описывает, как исследователи создали эту крупную структуру с внешним диаметром 6,3 нанометра путем связывания пептидов с ионами металлов.
"Синтез этой чрезвычайно сложной структуры был основан на геометрических соображениях и предсказаниях, что привело к предложению новой концепции: геометрического контроля химических структур", - объясняет Савада. Подход команды объединил две различные математические структуры, а именно теорию узлов и теорию графов, чтобы предсказать и затем достичь самосборки беспрецедентной додекаэдрической связи с переплетением из 60 пересечений, состоящей из 60 ионов металлов и 60 пептидных лигандов (или m60 l60).
Ранее исследователи создавали структуры меньшего размера с тетраэдрическими и кубическими связями. Однако более сложная додекаэдрическая связь появилась после того, как они ввели дополнительные модификации в пептидную последовательность во время попыток функционализировать M24l24, меньшую кубическую связь. Рентгеновский кристаллографический анализ показал, что полученная металл-пептидная оболочка M 60 L 60 содержит внутреннюю полость размером приблизительно 4,0 нанометра (приблизительно 34 000 А3), которая достаточно велика для инкапсуляции макромолекул, таких как белки или наноматериалы.
Помимо впечатляющей сложности конструкции, оболочка M 60 L 60 продемонстрировала замечательную устойчивость к нагреву, разбавлению и окислительным воздействиям, что исследователи объясняют ее уникальной структурой в виде запутанной сети. Интересно, что команда также продемонстрировала, что поверхность капсида может быть модифицирована с помощью различных функциональных групп, сохраняя при этом его структурную целостность, открывая возможности для настройки в соответствии с конкретными потребностями.
Эти особенности делают M 60 L 60 многообещающей платформой для различных применений, включая системы доставки лекарственных средств и молекулярный транспорт. "Учитывая разнообразие и модифицируемость пептидных структур, наш метод является чрезвычайно выгодным по сравнению с технологией ДНК-оригами с точки зрения функционализации структур", - подчеркивает Савада. "Более того, поскольку наш подход включает теоретическое предсказание и эксперименты методом проб и ошибок, иногда получаются удивительные структуры, далеко превосходящие наши ожидания - в этом суть химии".
В целом, это исследование представляет собой значительный шаг вперед в понимании того, как создавать искусственные вирусные капсид-подобные структуры. "Наши результаты значительно расширяют основы пептидной инженерии и, как ожидается, окажут огромное влияние в различных областях, включая самосборку молекул, химию материалов и математические теории", - заключает Савада. В настоящее время исследователи нацелены на создание еще более амбициозных конструкций, предполагая в качестве своих следующих задач сборки M 180 L 180 и M 240 L 240 с 180 и 240 переходами соответственно.
Комментарии