Chemiker erstellen Quantenpunkte bei Raumtemperatur mit im Labor entwickelten Proteinen

Die Natur verwendet 20 kanonische Aminosäuren als Bausteine ​​zur Herstellung von Proteinen und kombiniert ihre Sequenzen, um komplexe Moleküle zu schaffen, die biologische Funktionen erfüllen.

Doch was passiert mit den von der Natur nicht selektierten Sequenzen? Und welche Möglichkeiten liegen in der Konstruktion völlig neuer Sequenzen, um neuartige (de novo) Proteine ​​herzustellen, die wenig Ähnlichkeit mit irgendetwas in der Natur haben?

Das ist das Terrain, auf dem Michael Hecht, Professor für Chemie, mit seiner Forschungsgruppe arbeitet. Kürzlich zahlte sich ihre Neugier, eigene Sequenzen zu entwerfen, aus.

Sie entdeckten das erste bekannte de novo (neu geschaffene) Protein, das die Synthese von Quantenpunkten katalysiert (antreibt). Quantenpunkte sind fluoreszierende Nanokristalle, die in elektronischen Anwendungen von LED-Bildschirmen bis hin zu Solarmodulen verwendet werden.

Ihre Arbeit öffnet die Tür zu einer nachhaltigeren Herstellung von Nanomaterialien, indem sie zeigen, dass Proteinsequenzen, die nicht aus der Natur stammen, zur Synthese funktioneller Materialien verwendet werden können – mit deutlichen Vorteilen für die Umwelt.

Quantenpunkte werden normalerweise in industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturen und giftigen, teuren Lösungsmitteln hergestellt – ein Prozess, der weder wirtschaftlich noch umweltfreundlich ist. Aber Hecht und seine Forschungsgruppe haben den Prozess im Labor mit Wasser als Lösungsmittel durchgezogen und ein bei Raumtemperatur stabiles Endprodukt erhalten.

„Wir sind daran interessiert, Lebensmoleküle, Proteine, herzustellen, die nicht im Leben entstanden sind“, sagte Hecht, der die Forschung zusammen mit Greg Scholes, dem William S. Tod Professor für Chemie und Vorsitzenden der Abteilung, leitete. „In gewisser Weise fragen wir uns, gibt es Alternativen zum Leben, wie wir es kennen? Alles Leben auf der Erde entstand aus gemeinsamen Vorfahren. Aber wenn wir lebensechte Moleküle herstellen, die nicht aus gemeinsamen Vorfahren stammen, können sie dann coole Sachen machen? Also hier , wir stellen neuartige Proteine ​​her, die nie im Leben entstanden sind, indem wir Dinge tun, die es im Leben nicht gibt.“

Der Prozess des Teams kann auch die Nanopartikelgröße einstellen, die die Farbe bestimmt, in der Quantenpunkte leuchten oder fluoreszieren. Das birgt Möglichkeiten, Moleküle innerhalb eines biologischen Systems zu markieren, wie etwa Krebszellen in vivo zu färben.

„Quantenpunkte haben aufgrund ihrer Größe sehr interessante optische Eigenschaften“, sagte Yueyu Yao, Co-Autor des Papiers und Doktorand im fünften Jahr in Hechts Labor. „Sie sind sehr gut darin, Licht zu absorbieren und in chemische Energie umzuwandeln – das macht sie nützlich für die Herstellung von Sonnenkollektoren oder jeder Art von Fotosensor.

„Andererseits sind sie aber auch sehr gut darin, Licht bei einer bestimmten gewünschten Wellenlänge zu emittieren, was sie für die Herstellung von LED-Bildschirmen geeignet macht.“

Und weil sie klein sind – sie bestehen aus nur etwa 100 Atomen und einem Durchmesser von vielleicht 2 Nanometern – können sie einige biologische Barrieren durchdringen, was ihren Nutzen in der Medizin und der biologischen Bildgebung besonders vielversprechend macht.

Warum De-novo-Proteine ​​verwenden?

„Ich denke, die Verwendung von De-novo-Proteinen eröffnet einen Weg für die Designbarkeit“, sagte Leah Spangler, Hauptautorin der Forschung und ehemalige Postdoc im Scholes-Labor. „Ein Schlüsselwort für mich ist ‚Engineering‘. Ich möchte in der Lage sein, Proteine ​​so zu konstruieren, dass sie etwas Bestimmtes tun, und dies ist eine Art von Protein, mit der Sie das tun können.

„Die Quantenpunkte, die wir herstellen, sind noch nicht von hervorragender Qualität, aber das kann durch Feinabstimmung der Synthese verbessert werden“, fügte sie hinzu. „Wir können eine bessere Qualität erreichen, indem wir das Protein so manipulieren, dass es die Quantenpunktbildung auf unterschiedliche Weise beeinflusst.“

Basierend auf der Arbeit des korrespondierenden Autors Sarangan Chari, einem leitenden Chemiker in Hechts Labor, verwendete das Team ein von ihm entwickeltes de novo-Protein namens ConK, um die Reaktion zu katalysieren. Die Forscher isolierten ConK erstmals im Jahr 2016 aus einer großen kombinatorischen Bibliothek von Proteinen. Es besteht nach wie vor aus natürlichen Aminosäuren, gilt aber als „de novo“, da seine Sequenz keinerlei Ähnlichkeit mit einem natürlichen Protein hat.

Die Forscher fanden heraus, dass ConK das Überleben von E. coli in ansonsten toxischen Kupferkonzentrationen ermöglichte, was darauf hindeutet, dass es für die Metallbindung und -bindung nützlich sein könnte. Die in dieser Forschung verwendeten Quantenpunkte bestehen aus Cadmiumsulfid. Cadmium ist ein Metall, daher fragten sich die Forscher, ob ConK zur Synthese von Quantenpunkten verwendet werden könnte.

Ihre Vermutung zahlte sich aus. ConK zerlegt Cystein, eine der 20 Aminosäuren, in mehrere Produkte, einschließlich Schwefelwasserstoff. Das fungiert als aktive Schwefelquelle, die dann mit dem Metall Cadmium reagiert. Das Ergebnis sind CdS-Quantenpunkte.

„Um einen Cadmiumsulfid-Quantenpunkt herzustellen, müssen die Cadmiumquelle und die Schwefelquelle in Lösung reagieren“, sagte Spangler. „Was das Protein macht, ist die Schwefelquelle im Laufe der Zeit langsam zu machen. Also fügen wir zunächst das Cadmium hinzu, aber das Protein erzeugt den Schwefel, der dann reagiert, um Quantenpunkte unterschiedlicher Größe zu erzeugen.“

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.