
La composición de aminoácidos de la membrana de los poros del barril beta diseñados revela la superficie. El eje Y calcula la composición de todos los tipos de aminoácidos en la interfaz y la región enterrada, respectivamente, para cada diseño. Los puntos rojos son las composiciones promedio de aminoácidos para los aminoácidos indicados en las regiones respectivas de todas las proteínas transmembrana del barril beta en la base de datos OPM (Proteína de Membrana Externa). Crédito: ciencia (2024) DOI: 10.1126/ciencia.adn3796
Los poros de barril β (TMB) transmembrana se utilizan ampliamente para la secuenciación de ADN y ARN de una sola molécula. Permiten la miniaturización de una amplia gama de aplicaciones de detección y secuenciación en dispositivos portátiles de tamaño USB y tecnologías de punto de atención. Un equipo de investigadores belgas y estadounidenses ha descrito un método general para diseñar poros de TMB desde cero con formas y propiedades personalizadas, abriendo nuevas oportunidades para el análisis de una sola molécula. Sus resultados se publican ciencia.
Los nanoporos de proteínas son el santo grial en el campo de la biología analítica. Estas proteínas de tamaño nanométrico forman poros regulares en las membranas lipídicas y se utilizan ampliamente para la secuenciación de ADN y ARN de una sola molécula. Son lo suficientemente capaces de avanzar en una amplia gama de aplicaciones de detección y secuenciación, llevándolas desde laboratorios especializados hasta dispositivos portátiles. Sin embargo, los enfoques actuales para diseñar sensores de nanoporos se limitan a proteínas naturales, que han evolucionado para diferentes funciones y no son puntos de partida ideales para el desarrollo de sensores.
Una investigación liderada por el Centro de Biología Estructural VIB-VUB (Bélgica) y la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington (EE.UU.) ha asumido el reto de diseñar desde cero estos «barriles» de proteínas, con el objetivo final de controlar la forma y la química. A nivel molecular.
Con la ayuda del diseño computacional, los investigadores desarrollaron métodos para diseñar canales de nanoporos estables con formas, tamaños y conductividades de poros ajustables. En comparación con los poros naturales, la señal generada por los TMB diseñados era notablemente estable y silenciosa. Los colaboradores del laboratorio de Sheena Radford (Universidad de Leeds) y Sebastian Hiller (Biozentrum, Universidad de Basilea) descubrieron que los diseños se plegaban formando estructuras 3D estables. Esto abre la puerta al diseño de canales de nanoporos de novo adecuados para muchas aplicaciones de interés en la investigación y la industria.
«Estos desarrollos son muy interesantes. Cuando empezamos con esta idea hace unos años, mucha gente pensó que era imposible, porque el diseño y plegado de las láminas β es increíblemente complejo, y mucho menos en las membranas lipídicas. Ahora hemos demostrado que los nanoporos con conductividad estable y reproducible se pueden diseñar exitosamente con una alta tasa de éxito «, dijo el líder del grupo del Centro VIB-VUB de Biología Estructural, el Dr. Anastasia Vorobeva dice.
Como siguiente paso, los investigadores pusieron a prueba su método de diseño. Los nanoporos que pueden detectar moléculas pequeñas como los metabolitos son herramientas extremadamente útiles para la metabolómica y el análisis de diagnóstico, que actualmente requieren grandes equipos de laboratorio especializados. El diseño de sensores funcionales de moléculas pequeñas sigue siendo un desafío debido a la complejidad de las interacciones proteína-ligando. Por lo tanto, los poros deben tener una forma que sea más complementaria a la pequeña molécula de interés.
Un equipo en el laboratorio del profesor de bioquímica de Medicina de la Universidad de Washington e investigador del HHMI, David Baker, ha diseñado con éxito nuevas proteínas que pueden unirse específicamente a metabolitos de moléculas pequeñas. Dividieron las proteínas en tres partes y las fusionaron en bucles de poros TMB. Descubrieron que podían detectar directamente eventos de unión de una sola molécula utilizando dichas estructuras.
«Esta colaboración es un gran ejemplo de lo que es posible con el diseño de proteínas. En lugar de reciclar biomoléculas de la naturaleza, ahora podemos crear las funciones que queremos desde los primeros principios», afirmó el Prof. Dr. Dijo David Baker. Medicina e Investigador del HHMI.
Los resultados positivos demuestran que el diseño de nanoporos puede complementar la espectrometría de masas y otros métodos analíticos que requieren grandes laboratorios y grandes instalaciones porque la tecnología es más pequeña y accesible. Aunque todavía estamos lejos de este punto, los investigadores imaginan un futuro en el que los dispositivos portátiles con distintos nanoporos puedan detectar una variedad de metabolitos, proteínas y moléculas pequeñas, o incluso secuenciar biomoléculas.
Más información:
Samuel Berhanu et al., Escultura del tamaño y la forma de los nanoporos mediante De Novo Protein Design, ciencia (2024) DOI: 10.1126/science.adn3796. www.science.org/doi/10.1126/science.adn3796
Proporcionado por VIB (Instituto de Biotecnología de Flandes).
referencia: Liberar el poder de los nanoporos: un nuevo enfoque de diseño amplía las oportunidades para el análisis de una sola molécula (2024, 18 de julio) Consultado el 19 de julio de 2024 en https://phys.org/news/2024-07-power-nanopores-approach-scales- oportunidades
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