Computerentwickelte Proteine ​​ermöglichen die Bildung einstellbarer Hydrogele, die sich sowohl innerhalb als auch außerhalb von Zellen bilden können

Wenn Forscher untersuchen möchten, wie COVID uns krank macht oder welche Auswirkungen Krankheiten wie Alzheimer auf den Körper haben, besteht ein Ansatz darin, zu untersuchen, was im Inneren einzelner Zellen passiert. Forscher lassen die Zellen manchmal in einem 3D-Gerüst namens „Hydrogel“ wachsen. Dieses Netzwerk aus Proteinen oder Molekülen ahmt die Umgebung nach, in der die Zellen im Körper leben würden.

Neue Forschungsergebnisse der University of Washington zeigen eine neue Klasse von Hydrogelen, die sich nicht nur außerhalb, sondern auch innerhalb von Zellen bilden können. Das Team erstellte diese Hydrogele aus Proteinbausteinen, die mithilfe eines Computers so gestaltet wurden, dass sie eine bestimmte Struktur bilden. Diese Hydrogele zeigten sowohl innerhalb als auch außerhalb von Zellen ähnliche mechanische Eigenschaften und stellten Forschern ein neues Werkzeug zur Gruppierung von Proteinen innerhalb von Zellen zur Verfügung.

Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse 30. Januar im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„In den letzten zehn Jahren gab es einen Wandel in der Welt der Zellbiologie“, sagte Co-Autor Cole DeForest, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen und Bioingenieurwesen an der UW.

„Klassisch haben die Leute einen Großteil der inneren Organisation der Zelle membrangebundenen Organellen wie Mitochondrien oder dem Zellkern zugeschrieben. Doch jetzt erkennen Wissenschaftler, dass die Zelle tatsächlich andere Möglichkeiten hat, bestimmte Moleküle oder Proteine ​​lokal zu konzentrieren, ohne beispielsweise Membranen zu verwenden.“ durch Protein-Protein-Wechselwirkungen. Diese Konzentration ermöglicht es der Zelle, bestimmte Funktionen ein- oder auszuschalten, die hilfreich sein oder letztendlich zu Krankheiten führen können.“

DeForest fuhr fort: „Was ich hier ziemlich spannend finde, ist, dass wir eine gute mechanische Kontrolle über unsere Hydrogele haben – selbst wenn sie in menschlichen Zellen hergestellt werden. Das bedeutet, dass wir sie so einstellen können, dass sie im Wesentlichen als synthetische Version jedes beliebigen Sequestrierungsphänomens funktionieren, das wir wollen.“ zu untersuchen, etwa wie Proteinaggregation zu Alzheimer führen kann.“

Ein Schlüsselelement dieser Forschung war, dass die Proteinbausteine ​​von Grund auf mithilfe von Computern entworfen wurden – sie kommen nirgendwo in der Natur vor.

„Man kann sich ein Protein als eine Reihe von Untereinheiten vorstellen, die Aminosäuren genannt werden. Diese Kette faltet sich zu einer dreidimensionalen Struktur. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, und ein typisches Protein besteht aus 100 bis 200 davon. Das macht.“ Das System ist sehr komplex, denn woher weiß man, wie es funktionieren wird?“ sagte Co-Hauptautor Rubul Mout, der diese Forschung als Postdoktorand der UW am Institute for Protein Design abgeschlossen hat und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Harvard Medical School und dem Boston Children’s Hospital ist.

„Hier kommt der Computer ins Spiel – er führt Berechnungen durch, um die wahrscheinlichste dreidimensionale Form abzuschätzen. Und auf ähnliche Weise können Sie ihm sagen, welche Form Sie wollen, und er sagt Ihnen, welche Reihenfolge Sie zum Aufbau des Proteins benötigen.“

Um eine Vielzahl von Hydrogelen mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen, nutzte das Team computergestütztes Design, um zu kontrollieren, wie schlaff oder starr die Proteinbausteine ​​waren und wie die Bausteine ​​organisiert und verbunden wurden, um das Hydrogel zu erzeugen.

Die Forscher nutzten außerdem zwei verschiedene Methoden, um die Bausteine ​​miteinander zu verknüpfen: Die eine verknüpfte sie irreversibel und die andere ermöglichte es den Proteinen, sich zu trennen und wieder zu verbinden.

„Irreversibel vernetzte Systeme werden intrinsisch stabiler sein, was sie besser für langfristige Zellkulturen und funktionelles Tissue Engineering macht“, sagte DeForest, der auch Fakultätsmitglied am UW Molecular Engineering and Sciences Institute und am UW Institute for Stem ist Zell- und Regenerative Medizin.

„Aber die reversibel vernetzten Systeme sind flüssiger, was möglicherweise besser für die Steuerung spezifischer Protein-Protein-Wechselwirkungen innerhalb lebender Zellen geeignet ist.“

Um festzustellen, ob die Hydrogele in Zellen im Vergleich zu ihren extrazellulären Gegenstücken ähnliche Eigenschaften aufwiesen, untersuchten die Forscher, ob sich Bausteine ​​innerhalb der Hydrogele bewegen können. Ein steiferes Hydrogel würde die Proteine ​​eher an einer Position einfangen als ein flüssigeres Gel. Die mechanischen Eigenschaften jedes Hydrogeltyps blieben auch im Inneren einer Zelle erhalten.

Das Team plant, dieses System weiter zu erforschen, einschließlich der Möglichkeit, die Bildung und Lokalisierung von Hydrogelen in Zellen besser zu steuern.

Der wichtigste Teil dieses Projekts war laut den Forschern die Zusammenarbeit zwischen Proteindesignern und Chemie- und Bioingenieuren.

„Unsere interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Coles Gruppe war sehr spannend und hat Wege zu neuen Klassen von Biomaterialien mit einem breiten Anwendungsspektrum eröffnet“, sagte Co-Seniorautor David Baker, der Direktor des Institute for Protein Design.