Międzynarodowy zespół badawczy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego skonstruował sferyczną strukturę białkową o niezwykle dużej stabilności, która zdaje się przeczyć prawom geometrii. Wynalazek ten może znaleźć zastosowanie m.in. w inżynierii materiałowej i medycynie. Wyniki badań zespołu opublikowane zostaną w kolejnym numerze czasopisma "Nature".
Każdy miłośnik gier fabularnych wie, że, choć kości do gry mogą mieć różną liczbę ścian, ich kształt jest ściśle określony. Niemożliwe jest np. zastąpienie ścian kwadratowych w kostce sześciościennej trójkątami. Tym, jakie kształty mogą stanowić ściany różnych rodzajów kości – czyli, używając fachowej terminologii, wielościanów foremnych - rządzą zasady geometrii. W przyrodzie, tego rodzaju kształty występują często na poziomie mikroskopowym. Te obiekty bardzo niewielkich rozmiarów, zwane klatkami białkowymi, odpowiedzialne są za wiele ważnych zadań. Ich najbardziej znanym przykładem są wirusy, u których klatka służy do transportu materiału genetycznego do komórek zakażonego organizmu.
Naukowcy zainteresowani są tworzeniem sztucznych klatek białkowych, licząc, że umożliwi to nadanie im cech niedostępnych w naturze. Dążąc do tego celu, badacze napotykają na dwie zasadnicze trudności. Pierwszą z nich jest problem geometrii – niektóre potencjalnie bardzo użyteczne białka muszą zostać wykluczone ze względu na kształt uniemożliwiający tworzenie klatek. Drugim problemem jest złożoność - w przyrodzie liczne białka tworzące klatki białkowe spajane są przez złożoną sieć wiązań chemicznych, których budowę trudno jest przewidzieć i symulować.
Zespół badawczy kierowany przez dr. Jonathana Heddle’a z Laboratorium Bionanonauki i Biochemii Małopolskiego Centrum Biotechnologii (MCB) UJ znalazł sposób na przezwyciężenie obu tych trudności. - Zdołaliśmy zastąpić złożone powiązania między białkami prostymi „klamrami” z jednego atomu złota. Ułatwia to projektowanie klatek i umożliwia nadanie im nowych cech, takich jak składanie i rozkładanie się na życzenie - tłumaczy dr Heddle. Badacze znaleźli również sposób na ominięcie problemu geometrii. - Klatki białkowe zbudowane są z jedenastobocznych figur. Teoretycznie, nie nadają się one na ściany wielościanów foremnych. Niemniej jednak, chociaż stwierdzenie to jest prawdziwe z matematycznego punktu widzenia, niektóre z tych figur mogą złożyć się w na tyle foremne klatki, że błędy nie są dostrzegalne. Oznacza to, że możemy obecnie korzystać z białek, których użycia wcześniej nie rozważaliśmy, ponieważ są one teoretycznie niezdolne do tworzenia klatek – wyjaśnia naukowiec.
Odkrycie to może mieć daleko idące konsekwencje. Dr Heddle liczy, że odkrycie jego zespołu może zostać wykorzystane w celu budowy klatek białkowych o nowej strukturze i nowych możliwościach oraz przetestowane pod kątem możliwych zastosowań, zwłaszcza w dziedzinie dostarczania leków do organizmu.
Większą część badań zrealizowana została w Laboratorium Bionanonauki i Biochemii Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ. Do modelowania klatek białkowych posłużył program, którego autorami są Agnieszka Kowalczyk, doktorantka Wydziału Matematyki i Informatyki UJ oraz Bernard Piette z Wydziału Nauk Matematycznych Uniwersytetu Durham (Wielka Brytania). Do realizacji matematycznej części projektu w istotny sposób przyczynił się również Craig Kaplan z Uniwersytetu w Waterloo (Kanada). Badania współfinansuje Narodowe Centrum Nauki.
Badania opublikowane zostaną w czasopiśmie "Nature" Głównym autorem artykułu jest drJonathan Heddle. Jego pełny tekst dostępny jest pod tym linkiem: An ultra-stable gold-coordinated protein cage displaying reversible assembly
Poniżej: Model “matematycznie niemożliwej” klatki białkowej o średnicy ok. 22 nanometrów, stworzonej przez naukowców z zespołu Dr Heddla. Klatka zbudowana jest z 24 kopii 11-ściennego białka w kształcie pierścienia, ukazanych w różnych kolorach, połączonych ze sobą za pomocą pojedynczych atomów złota (żółte kule). W tle widoczne są stworzone na podstawie badań modele innych „niemożliwych” klatek.
