Молекулярные соты: девять аминокислот самособираются в структуры с каналами для воды
Исследователи Института полимерных исследований Макса Планка, Ульмского университета и Университетской клиники Ульма разработали молекулы, самостоятельно формирующие структуру, напоминающую пчелиные соты — но на масштабах, невидимых невооружённым глазом. Каждая такая структура — крошечное волокно с наполненными водой шестиугольными каналами диаметром около пяти нанометров. Работа опубликована в Nature.
Девять аминокислот с внутренними «инструкциями»
В основе конструкции — пептид: короткая цепочка из всего девяти аминокислот. Аминокислоты — строительные блоки белков. Исследователи под руководством профессора Тани Вейль и профессора Катарины Ландфестер разработали конкретную последовательность из девяти аминокислот и изучили её в нескольких вариантах, систематически заменяя отдельные звенья.
Принципиальная находка: именно последовательность «диктует» молекуле её будущую геометрию. «Молекулы содержат собственные инструкции по сборке», — сформулировала Вейль.
Конкретная механика самосборки:
- два пептида спариваются между собой;
- три таких пары встречаются в узловых точках;
- узловые точки соединяются в шестиугольные кольца;
- кольца выстраиваются рядом — образуя сотовую (гексагональную) решётку;
- решётки укладываются вдоль оси волокна — строя протяжённые параллельные цилиндрические каналы.
Результирующие волокна имеют множество параллельных непрерывных каналов шириной около пяти нанометров — внутри каждого канала удерживается вода.
Точная геометрия — на молекулярном уровне
Для подтверждения структуры команда применила специализированную технику электронной микроскопии, позволяющую разрешать детали вплоть до отдельных молекул. Это дало прямое доказательство гексагональной периодичности.
Чтобы понять, какие именно аминокислоты определяют соты, исследователи систематически заменяли отдельные сегменты цепочки и наблюдали, при каких заменах сотовая структура перестаёт формироваться. Таким образом была нанесена точная «карта» функциональных зон пептида.
Для чего нужны молекулярные соты с водяными каналами
Постоянные нанометровые каналы с упорядоченной водой открывают несколько перспективных применений.
Фильтрация воды. Каналы диаметром ~5 нм — подходящий масштаб для отсева небольших молекул и ионов при сохранении потока воды. Мембраны из таких волокон потенциально применимы в области опреснения и очистки воды.
Транспорт лекарств. Такие каналы можно использовать для инкапсуляции и управляемого высвобождения небольших молекул-препаратов — особенно там, где требуется точный размерный контроль.
Молекулярные реакторы. Ограниченное водное пространство внутри каналов создаёт уникальную среду для химических реакций, принципиально отличающуюся от объёмного раствора.
Биоинспирированная наноинженерия. Многие биологические молекулы — водные каналы (аквапорины), ионные каналы — устроены похожим образом. Синтетические аналоги могут стать строительными блоками для создания искусственных биомиметических систем.
Читайте также: самосборке молекулярных колец для доставки веществ.
По словам соавторов, открытый принцип «последовательность → геометрия» универсален: варьируя аминокислотную последовательность, можно конструировать волокна с иными формами и размерами каналов. Работа находится на стадии фундаментального материаловедения, и до практических устройств предстоит немало шагов. Тем не менее самосборка предзаданной наноканальной геометрии из короткого пептида — принципиально новая демонстрация того, чего можно достичь, программируя молекулу всего из девяти звеньев.
