Биоэлектроника: новый уровень.

Конструкция белковой нанопроволоки. Зелёная стрелка указывает поток электронов. Источник.

Наука многое подсматривает у природы, и как не порадоваться тому, что этот колодец поистине неисчерпаем? Замечательный, но далеко не единственный пример такого удачного вдохновения ‒ электронные приборы. Вот, скажем, мы давно знаем о наличии потока электронов в белковых системах. Значимость этого феномена настолько высока, что его можно считать одним из важнейших условий для жизни как таковой: на этом естественном механизме электронной проводимости зиждется фотосинтез и производство клеточной энергии вообще. Однако, хоть наше понимание природы этих процессов и выросло благодаря достижениям эпохи структурной геномики, всё же умению обращаться с ними ‒ и уж тем более конструктивному инженерному применению исключительных свойств этих биоэлектронных компонентов ‒ нам ещё только предстоит научиться.

Чтобы приблизить целевое использование этого эффекта, команда учёных из Бристольского университета использовала опыт пятилетнего исследовательского проекта «Схемы жизни», в котором участвовали университеты Бристоля, Портсмута, Восточной Англии и Лондонский университетский колледж. Полученные в ходе него сведения и навыки в проектировании белков, переносе электронов, биомолекулярном моделировании, структурной биологии и спектроскопии, позволили понять, как именно электроны проходят через естественные биологические молекулы. А этот, как уже было сказано, фундаментальный для клеточного дыхания и фотосинтеза процесс как раз и может открыть нам ранее скрытые возможности.

Таким образом у авторов работы получилось разработать расширяемую модульную белковую платформу. С её помощью планируется создание новых, не встречающихся в природе, добротно сделанных белков, содержащих одно или несколько окислительно-восстановительных небелковых соединений ‒ кофакторов гема. Эти соединения прикрепляются к функциональной части белков-гемопротеинов и помогают в ходе реакций.

Междисциплинарная группа, посредством передовых вычислительных инструментов, разработала простые строительные блоки. Причём так, чтобы в перспективе их можно было бы объединить в более длинные проволочные токопроводящие белковые цепи. Исследование, опубликованное в журнале Национальной академии наук США, показало, что относительно простая стратегия вычислительного дизайна позволяет расширить модули, содержащие гем, в 7-нм молекулярную проволоку. Но самый интересный результат, пожалуй, в том, что, фундаментальные биофизические свойства гема в таких белках теперь можно спрогнозировать и ‒ более того ‒ управлять ими с помощью вычислений.

Другими словами, возможность создавать токопроводящие, биоразлагаемые «провода» из специально разработанных белков ‒ уже реальность. Это большой шаг для биоэлектроники, который способен объединить в одном устройстве два мира ‒ живой и неживой природы. Такие проводники могут быть совместимы как с обычными медными или железными электронными компонентами, так и с биологическими механизмами, отвечающими за выработку энергии во всех живых организмах.

Вообще, справедливости ради нужно сказать, что именование разработки проводами может вводить в заблуждение, поскольку эти устройства в длину аж в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Но это, конечно, отнюдь не означает снижения перспектив их применимости. Вот, скажем, транзисторы на кремниевых чипах вполне сопоставимы с ними по размерам, а ведь на этих малышах держится, считай, вся современная цивилизация.

К тому же изготовление этих новых белковых проводников не требует потенциально сложных процедур, обычных для производства синтетических молекул и, вдобавок, вредных для окружающей среды. А всё потому, что эти крошечные провода полностью состоят из природных аминокислот и молекул гема ‒ наподобие тех, что содержатся в некоторых белках вроде переносящего кислород гемоглобина, ‒ и для их производства требуются лишь безвредные бактерии.

«Несмотря на то, что наши разработки черпают вдохновение из электронных схем на основе белков, необходимых для всей жизни на Земле, ‒ говорит ведущий автор исследования Росс Андерсон, профессор биохимии Бристольского университета ‒ они лишены многих сложностей и нестабильности, которые могли бы помешать эксплуатации их природных эквивалентов на наших условиях. Мы также можем создавать эти мельчайшие электронные компоненты на заказ, определяя их свойства так, как это невозможно с природными белками».

Структурный анализ проволоки на основе белка, сравнивающий модель разработанного белка (показана красным цветом) с экспериментально определённой структурой (серым цветом). Источник.

Над созданием этого уникального нового метода конструирования индивидуальных белков с настраиваемыми электронными свойствами работали ведущие специалисты в области биомолекулярной инженерии и моделирования. Так, визуализация структуры этих проводов, созданная с помощью методов рентгеновской кристаллографии белков и электронной криомикроскопии (крио-ЭМ), позволяет рассмотреть структуры в мельчайших деталях. Благодаря такому подходу, кстати, были даже раздвинуты технические границы крио-ЭМ: в ходе работы учёным удалось получить изображения самого маленького отдельного белка из когда-либо изученных.

Однако, несмотря на новаторство концепции, достижение своего рода рекорда в микроскопии и вообще решение столь важной задачи, всё-таки главными итогами исследования можно считать открывшиеся перед наукой и инженерией перспективы. Созданные в ходе работы наноразмерные проектируемые провода могут быть применены в широком спектре устройств, включая большое разнообразие носимых устройств вроде передатчиков и биосенсоров. Они пригодятся для диагностики заболеваний и обнаружения загрязнителей окружающей среды. Да и, к слову, к дальнейшим успехам технологии также можно отнести её значительные возможности в переходе к нулевым выбросам и более устойчивым промышленным процессам. Есть надежда, что изобретение станет основой новых электросхем для индивидуальных катализаторов в зелёной промышленной биотехнологии. Например, на базе таких искусственных фотосинтетических белков можно будет выстроить новые панели для захвата солнечной энергии.

«Эти белки показывают, как белковый дизайн все чаще предоставляет практически полезные инструменты, ‒ говорит профессор химии Бристольского университета, соавтор исследования Адриан Малхолланд. ‒ Они предлагают захватывающие возможности в качестве компонентов для инженерной биологии, а также являются отличными системами для исследования фундаментальных механизмов биологического переноса электронов».

АРМК, по материалам Университета Бристоля.