p O objetivo da pesquisa, publicado em 11 de julho na revista Natureza , foi projetar proteínas artificiais para se automontar em uma superfície de cristal, criando uma correspondência exata entre o padrão de aminoácidos na proteína e os átomos do cristal. A capacidade de programar essas interações pode permitir o design de novos materiais biomiméticos com cores personalizadas, reatividade química ou propriedades mecânicas, ou para servir como andaimes para filtros em escala nanométrica, células solares ou circuitos eletrônicos. p "A biologia tem uma capacidade incrível de organizar a matéria desde a escala atômica até as baleias azuis, "disse o co-primeiro autor Harley Pyles, um aluno de pós-graduação no UW Medicine's Institute for Protein Design. "Agora, usando design de proteína, podemos criar biomoléculas totalmente novas que se montam em escalas de comprimento atômico a milimétrico. Nesse caso, mica - um cristal que ocorre naturalmente - está agindo como uma grande placa de base de Lego em cima da qual estamos montando novas arquiteturas de proteínas. "

p O design das novas moléculas de ligação a minerais foi inspirado por proteínas que interagem com o gelo. Na escala molecular, o gelo é plano e contém um padrão atomicamente preciso de moléculas de água rígidas. Na natureza, as proteínas correspondem a esses padrões para permitir que grudem no gelo.

p A equipe usou projeto molecular computacional para criar novas proteínas com padrões personalizados de carga elétrica em suas superfícies, como se fossem blocos de Lego de tamanho nano perfeitamente combinados com a placa de base de mica. Genes sintéticos que codificam essas proteínas projetadas foram colocados dentro de bactérias, que então produziu em massa as proteínas no laboratório.

p Os pesquisadores descobriram que designs diferentes formaram padrões diferentes na superfície da mica. Ao redesenhar partes das proteínas, a equipe conseguiu produzir estruturas em favo de mel nas quais eles podiam ajustar digitalmente os diâmetros dos poros em apenas alguns nanômetros, que tem aproximadamente a largura de uma única molécula de dupla hélice de DNA.

p “Este é um marco no estudo das interfaces proteína-material, "disse David Baker, diretor do IPD, professor de bioquímica da Escola de Medicina da Universidade de Washington e co-autor sênior da pesquisa. "Alcançamos um grau de ordem sem precedentes ao projetar unidades que se auto-montam em filas alinhadas de nanobastões, redes hexagonais precisas e excelentes nanofios de uma única molécula. "

p A pesquisa foi viabilizada pelo uso da microscopia de força atômica, que usa uma pequena agulha para mapear superfícies moleculares, muito parecido com a forma como a agulha de um toca-discos lê as informações nas ranhuras de um disco de vinil. Os resultados do AFM mostram que as arquiteturas formadas pelas proteínas são controladas por um equilíbrio sutil entre as interações projetadas com a superfície da mica e as forças que só aparecem quando um grande número de proteínas agem em conjunto, como toras em um rio.

p "Embora tenhamos projetado interações específicas em nível atômico, obtemos essas estruturas, em parte, porque as proteínas são eliminadas pela água e forçadas a se compactar, "disse James De Yoreo, um cientista de materiais da PNNL e codiretor da NW IMPACT, um esforço conjunto de pesquisa entre o PNNL e o UW para impulsionar as descobertas e avanços em materiais. "Este foi um comportamento inesperado e demonstra que precisamos entender melhor o papel da água no ordenamento de proteínas em sistemas em escala molecular."

p Ser capaz de criar redes e filamentos de proteínas funcionais do zero também pode permitir a criação de materiais totalmente novos, ao contrário de qualquer encontrado na natureza. As descobertas podem levar a novas estratégias para sintetizar circuitos de semicondutores e nanopartículas metálicas para aplicações fotovoltaicas ou de armazenamento de energia. Ou alternativamente, os favos de mel de proteína podem ser usados ​​como filtros extremamente precisos, de acordo com o co-primeiro autor Shuai Zhang, pesquisador de pós-doutorado no PNNL. "Os poros seriam pequenos o suficiente para filtrar os vírus da água potável ou filtrar as partículas do ar, "disse Zhang.

p O projeto e a síntese de proteínas formadoras de rede em favo de mel foram apoiados pelo Office of Science do DOE, and AFM imaging and analysis was supported by The Center for the Science of Synthesis Across Scales, a DOE-supported Energy Frontier Research Center. Protein nanorod and nanowire design and synthesis were supported by the IPD Research Gift Fund, Michelson Medical Research Foundation, and Protein Design Initiative Fund. Development of AFM imaging protocols was supported by Materials Synthesis and Simulations Across Scales, an internally funded initiative at PNNL.

p Researchers have created synthetic proteins, shown in orange, that form honeycomb-like structures on the atomic surface of mica, shown here as tan spheres.