Біохіміки розібралися у тому, як за допомогою ієрархічного складання з одиничних білків утворюються ієрархічні структури, такі як тканини та фібрили. Вони дійшли висновку, що вирішальними у процесі складання цих структур є сильні та слабкі міжмолекулярні взаємодії, які виникають у різних напрямках внаслідок зв'язування окремих ділянок білку із лігандами ДНК. У статті, опублікованій у Proceedings of the National Academy of Sciences також наводиться спосіб, який у майбутньому може бути використаний для кодування послідовності ДНК з метою управління процесом ієрархічного складання органічних тканин.
Ієрархічне складання органічних об'єктів
Ієрархічне складання я об'єктів – це процес, коли один білок з'єднується з іншим таким чином, що утворюється нова структура, наприклад м'язи чи колагенові мережі. При цьому порядок і характер з'єднання білків у структуру визначається не якимось загальним планом будови, а властивостями самих органічних цеглинок. Досі вчені не розуміли, як же структура самих білків визначає те, що із них можна побудувати, а отже, не вміли керувати процесом збирання білків у органічні структури.
Але дослідники з Північно-західного університету США припустили, що ключем до керування процесом збирання структур із білків можуть служити особливі ділянки у структурі білку, до яких можуть приєднуватися ДНК-ліганди. ДНК-ліганди – це ділянки ДНК, які можуть короткочасно приєднуватися до структури білку і змінювати характер його взаємодії з іншими білками в інших напрямках відносно осей самого білку.
Експерименти з керування силами взаємодії
Для своїх досліджень біохіміки обрали білок під назвою Sp1. Цей білок має форму, близьку до пончика, якому спробували надати форму гайки. Далі вчені за допомогою мутацій змінили його структуру таким чином, щоб на поверхні утворилися нові рецептори, до яких зможуть приєднуватися ДНК-ліганди. При цьому це стало можливим селективно робити як в екваторіальній площині «пончика», так і у напрямку його осей.
При цьому у напрямку осей розташовувалися рецептори у вигляді трансциклооктанів, які могли зв'язуватися з одними ділянками ДНК, а в екваторіальному напрямку розташовувалися рецептори з дібензоциклооктанів, які могли зв'язуватися з іншими ДНК-лігандами. Експерименти, проведені із застосуванням електронного мікроскопа показали, що додаючи до білка то одні, то інші послідовності ДНК можна змінювати характер його взаємодії з іншими білками в осьовому та екваторіальному напрямках.
У першому випадку при збільшенні сил взаємодії в осьовому напрямку білки збираються у лінійні структури, ніби нанизуючись на єдиний стрижень. У другому, при збільшенні екваторіальних сил вони здатні утворювати площини. Комбінуючи ці два методи можна отримати будь-яку структуру.
Взаємодія ДНК та покрокове збирання.
Але для практичного використання цього було замало. Тож, дослідники вивчили поведінку самих послідовностей ДНК, які керують поведінкою білків і з'ясували, що вони здатні взаємодіяти між собою таким чином, що визначають, який із типів ділянок наразі буде взаємодіяти із рецепторами на білку. Таким чином було отримано можливість задавати послідовність зміни характеру взаємодії між молекулами білка. А це дозволило здійснювати синтез структури не одномоментно, а покроково. Задаючи послідовність ДНК можна визначити, яким буде характер взаємодії між молекулами білку на кожному кроці, а отже, і спосіб, у який на цьому кроці буде утворюватися структура.
Поки що цього недостатньо для того, аби можна було вільно програмувати структуру органічних тканин, які формуються з білків, однак це перші кроки до опанування такого програмування. А воно дозволить створювати синтетичні м'язи, органічні матеріали із невідомими раніше властивостями та багато іншого.
Джерело: https://www.pnas.org/content/118/40/e2106808118
