Neuer Designansatz erweitert Möglichkeiten für die Einzelmolekülanalytik

Transmembranäre β-Fass-Poren (TMBs) werden häufig für die Sequenzierung einzelner DNA- und RNA-Moleküle verwendet. Sie ermöglichen die Miniaturisierung einer breiten Palette von Sensor- und Sequenzierungsanwendungen in tragbare Geräte im USB-Format und Point-of-Care-Technologien. Ein Team belgischer und amerikanischer Forscher hat nun einen allgemeinen Ansatz zur Entwicklung von TMB-Poren von Grund auf mit benutzerdefinierten Formen und Eigenschaften beschrieben, der neue Möglichkeiten für die Einzelmolekülanalytik eröffnet. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht In Wissenschaft.

Protein-Nanoporen sind der heilige Gral der analytischen Biologie. Diese nanometergroßen Proteine ​​bilden regelmäßige Poren in Lipidmembranen und werden häufig für die Sequenzierung einzelner DNA- und RNA-Moleküle verwendet. Sie bergen ein erhebliches Potenzial, eine breite Palette von Sensor- und Sequenzierungsanwendungen voranzutreiben, indem sie aus spezialisierten Laboren in tragbare Geräte überführt werden. Aktuelle Ansätze zur Entwicklung von Nanoporensensoren beschränken sich jedoch auf natürlich vorkommende Proteine, die sich für ganz andere Funktionen entwickelt haben und keine idealen Ausgangspunkte für die Sensorentwicklung darstellen.

Unter der Leitung des VIB-VUB Center for Structural Biology (Belgien) und der University of Washington School of Medicine (USA) hat sich ein Forschungsteam der Herausforderung gestellt, diese Proteinfässer von Grund auf neu zu entwerfen, mit dem ultimativen Ziel, ihre Form und Chemie auf molekularer Ebene zu kontrollieren.

Mithilfe computergestützter Designmethoden entwickelten die Forscher Methoden, um stabile Nanoporenkanäle mit anpassbaren Porenformen, -größen und Leitfähigkeiten zu entwerfen. Im Vergleich zu natürlichen Poren war das von den entworfenen TMBs erzeugte Signal bemerkenswert stabil und leise. Mitarbeiter im Labor von Sheena Radford (Universität Leeds) und Sebastian Hiller (Biozentrum, Universität Basel) stellten fest, dass sich die Entwürfe zu stabilen 3D-Strukturen falteten. Dies öffnet die Tür zur Entwicklung von Nanoporenkanälen von Grund auf, die für viele interessante Anwendungen in Forschung und Industrie geeignet sind.

„Diese Entwicklungen sind sehr spannend. Als wir vor einigen Jahren mit dieser Idee begannen, hielten viele Leute sie für unmöglich, da das Design und die Faltung von β-Faltblättern unglaublich komplex sind, ganz zu schweigen von Lipidmembranen. Jetzt haben wir gezeigt, dass wir erfolgreich Nanoporen mit einer hohen Erfolgsrate entwerfen können, die eine stabile und reproduzierbare Leitfähigkeit aufweisen“, sagt Dr. Anastassia Vorobieva, Gruppenleiterin am VIB-VUB-Zentrum für Strukturbiologie.

Im nächsten Schritt stellten die Forscher ihre Designmethode auf die Probe. Nanoporen, die sehr kleine Moleküle wie Metabolite erkennen können, wären äußerst nützliche Werkzeuge für metabolomische und diagnostische Analysen, für die derzeit große, spezialisierte Laborgeräte erforderlich sind. Das Design funktionaler Sensoren für kleine Moleküle bleibt aufgrund der Komplexität der Protein-Liganden-Wechselwirkungen eine Herausforderung. Daher müssen die Poren eine Form haben, die dem kleinen Molekül, an dem sie interessiert sind, sehr gut entspricht.

Einem Team aus dem Labor des Biochemieprofessors von UW Medicine und HHMI-Forschers David Baker gelang es, neue Proteine ​​zu entwickeln, die gezielt kleine Molekülmetaboliten binden können. Sie spalteten die Proteine ​​in drei Teile und fusionierten diese Teile in die Schleifen einer TMB-Pore. Sie stellten fest, dass sie mit solchen Konstrukten Bindungsereignisse einzelner Moleküle direkt erkennen konnten.

„Diese Zusammenarbeit ist ein großartiges Beispiel dafür, was mit Proteindesign möglich ist. Anstatt Biomoleküle aus der Natur umzufunktionieren, können wir jetzt die gewünschten Funktionen aus Grundprinzipien erstellen“, bemerkt Prof. Dr. David Baker, Professor an der University of Washington School of Medicine und HHMI-Forscher.

Die positiven Ergebnisse beweisen, dass das Nanoporen-Design die Massenspektrometrie und andere Analysemethoden ergänzen kann, die große Labore und große Anlagen erfordern, da die Technologie kleiner und zugänglicher ist. Obwohl wir von diesem Punkt noch ein ganzes Stück entfernt sind, stellen sich die Forscher eine Zukunft vor, in der tragbare Geräte mit verschiedenen Nanoporen eine Reihe von Metaboliten, Proteinen und kleinen Molekülen erkennen oder sogar biomolekulare Sequenzierungen durchführen können.