Nanopory (inaczej zwane transbłonowymi porami β-beczki (TMB)) są prawdopodobnie najlepiej znane ze swojej roli w sekwencjonowaniu kwasów nukleinowych — zarówno DNA, jak i RNA. Mogą być również używane do sekwencjonowania peptydów. Nanopory oferują ogromne korzyści w zakresie ich zdolności do miniaturyzacji aplikacji wykrywania i sekwencjonowania w przenośnych — wielkości USB — urządzeniach i technologiach punktu opieki.

Obecne podejścia do inżynierii nanoporów ograniczają się do naturalnie występujących białek, które nie są idealnymi punktami wyjścia do rozwoju czujników. Rzeczywiście, białka te mają złożone wymagania.

Teraz badania prowadzone przez VIB-VUB Center for Structural Biology w Belgii i University of Washington School of Medicine w Seattle opisują ogólne podejście do projektowania porów TMB od podstaw — z zakresem geometrii od owalnej do kwadratowej i trójkątnej oraz z różnymi średnicami i geometriami porów — z ostatecznym celem kontrolowania kształtu i chemii na poziomie molekularnym. Ta praca otwiera nowe możliwości dla analityki pojedynczych cząsteczek.

Wyniki opublikowano w Nauka w artykule „Rzeźbienie wielkości i kształtu przewodzących nanoporów poprzez de novo protein design”.

„Ta współpraca jest świetnym przykładem tego, co jest możliwe w projektowaniu białek” — zauważył David Baker, doktor, profesor na University of Washington School of Medicine i badacz HHMI. „Zamiast wykorzystywać ponownie biocząsteczki z natury, możemy teraz tworzyć funkcje, których chcemy, od podstaw”.

Dzięki obliczeniowemu projektowaniu naukowcy opracowali metody projektowania stabilnych kanałów nanoporowych o regulowanych kształtach, rozmiarach i przewodności. Charakteryzowane przez jądrowy rezonans magnetyczny i krystalografię pory okazały się stabilne, co otworzyło drzwi do projektowania kanałów nanoporowych de novo, które nadają się do wielu interesujących zastosowań w badaniach i przemyśle. Bardziej szczegółowo, projekty „mają odrębne przewodności, które korelują ze średnicą porów, od 110 pikosimenów (~0,5 nanometra średnicy porów) do 430 pikosimenów (~1,1 nanometra średnicy porów)”. W podsumowaniu zauważono, że jedną z ważnych cech pracy było włączenie przerw w strukturze drugorzędowej w celu zapobiegania agregacji i ułatwienia składania się w membranę.

„Te osiągnięcia są bardzo ekscytujące” — powiedziała Anastassia Vorobieva, dr, liderka grupy w Centrum Biologii Strukturalnej VIB-VUB. „Kiedy kilka lat temu zaczynaliśmy z tym pomysłem, wiele osób uważało, że to niemożliwe, ponieważ projektowanie i składanie β-arkuszy jest niezwykle złożone, nie mówiąc już o błonach lipidowych. Teraz pokazaliśmy, że możemy z powodzeniem projektować nanopory z wysokim wskaźnikiem powodzenia, które mają stabilną i powtarzalną przewodność”.

Zespół z laboratorium Bakera pomyślnie zaprojektował nowe białka, które mogą specyficznie wiązać metabolity małych cząsteczek. Podzielili białka na trzy części i połączyli je w pętle poru TMB. Odkryli, że mogą bezpośrednio wykrywać zdarzenia wiązania pojedynczych cząsteczek za pomocą konstrukcji.

Autorzy zauważyli, że „projektowanie białek de novo może w zasadzie tworzyć nieograniczoną liczbę nowych nanoporów o dowolnych pożądanych właściwościach”. Praca ta rozwija ideę, że przenośne urządzenia z różnymi nanoporami mogą wykrywać szereg metabolitów, białek i małych cząsteczek.