计算机设计的蛋白质允许在细胞内部和外部形成可调节的水凝胶

当研究人员想要研究新冠病毒如何让我们生病，或者阿尔茨海默病等疾病对身体造成什么影响时，一种方法是观察单个细胞内部发生的情况。研究人员有时会在称为“水凝胶”的3D支架中培养细胞。这种蛋白质或分子网络模仿了细胞在体内生存的环境。

华盛顿大学领导的新研究表明，一种新型水凝胶不仅可以在细胞外部形成，还可以在细胞内部形成。该团队利用计算机设计的蛋白质构建块创建了这些水凝胶，以形成特定的结构。这些水凝胶在细胞内部和外部都表现出相似的机械特性，为研究人员提供了一种将细胞内部的蛋白质组合在一起的新工具。

“在过去的十年里，细胞生物学领域发生了变化，”共同资深作者、华盛顿大学化学工程和生物工程副教授科尔·德福雷斯特(ColeDeForest)说。

“传统上，人们将细胞的大部分内部组织归因于膜结合的细胞器，例如线粒体或细胞核。但现在科学家们意识到，细胞实际上有其他方法可以在不使用膜的情况下局部浓缩某些分子或蛋白质，例如，通过蛋白质-蛋白质相互作用。这种集中允许细胞打开或关闭可能有帮助或最终导致疾病的特定功能。”

德福雷斯特继续说道：“我认为非常令人兴奋的是，我们对水凝胶有良好的机械控制——即使它们是在人体细胞内制造的。这意味着我们可以调整它们，使其本质上充当我们想要的任何隔离现象的合成版本。进行研究，例如蛋白质聚集如何导致阿尔茨海默病。”

这项研究的一个关键要素是，蛋白质构建模块是使用计算机从头开始设计的——它们在自然界中不存在。

“你可以将蛋白质想象成一串称为氨基酸的亚基。该串折叠起来形成三维结构。有20种不同的氨基酸，典型的蛋白质由100到200个氨基酸组成。这使得这个系统非常复杂，因为你怎么知道它会如何折叠?”联合主要作者鲁布尔·穆特(RubulMout)说，他作为威斯康星大学蛋白质设计研究所的博士后研究员完成了这项研究，现在是哈佛医学院和波士顿儿童医院的研究员。

“这就是计算机发挥作用的地方——它通过计算来估计最可能的三维形状。同样，你可以告诉它你想要什么形状，它会告诉你构建蛋白质所需的序列。”

为了制造具有不同特性的各种水凝胶，该团队使用计算设计来控制蛋白质构建块的松软程度或刚性以及构建块如何组织和连接以创建水凝胶。

研究人员还使用了两种不同的方法将构建块连接在一起：一种将它们不可逆地连接起来，另一种允许蛋白质断开和重新连接。

“不可逆交联系统本质上会更加稳定，使它们更适合长期细胞培养和功能性组织工程，”德福雷斯特说，他也是威斯康星大学分子工程与科学研究所和威斯康星大学干细胞研究所的教员细胞和再生医学。

“但可逆交联系统更具流动性，这可能更适合驱动活细胞内特定的蛋白质-蛋白质相互作用。”

为了确定细胞中的水凝胶与细胞外的水凝胶是否具有相似的特征，研究人员检查了水凝胶内的构建块是否可以移动。与流动性更强的凝胶相比，更硬的水凝胶更有可能将蛋白质捕获在一个位置。即使在细胞内，每种类型的水凝胶的机械性能仍然保持不变。

该团队计划进一步探索该系统，包括能够更好地控制水凝胶在细胞内的形成和定位方式。

研究人员表示，该项目最关键的部分是蛋白质设计师与化学和生物工程师之间的合作。

“我们与科尔团队的跨学科合作非常令人兴奋，并为具有广泛应用的新型生物材料开辟了道路，”共同高级作者、蛋白质设计研究所所长戴维·贝克(DavidBaker)说。