2.3.3.Биологическая самосборка

Понимание сворачивания белков является одной из серьезнейших проблем не только биофизики и биохимии, но всей науки в целом. Несмотря на значительные успехи в моделировании сворачивания белка, до сих пор нет согласия относительно наилучшего численного метода. Почти все методы рас­сматривают потенциальную поверхность сворачивающегося белка. Проблема состоит в том, что это довольно извилистая поверхность с большим количе­ством локальных минимумов, поэтому очень трудно смоделировать те силы, которые стабилизируют нативную структуру и вынуждают ландшафт свобод­ной энергии принимать форму «воронки». Большинство минималистичных моделей основаны на компьютерном моделировании частиц на решетке, и в них всегда применяется «грубо гранулированный» подход. Полностью атомис­тические модели по всей видимости бесполезны. Некоторые структурные мо­менты конформационной динамики белков были получены методом управляе­мой молекулярной динамики, в которой наравне с молекулярно-динамически-ми траекториями применяют и монте-карловские перемещения.

ДНК является важным компонентом большинства структур и устройств в нанобиотехнологиях. В настоящее время значительный интерес исследовате­лей привлекает возможность ДНК-вычислений. В одном из подходов к подоб­ным применениям ДНК одиночные нити ДНК крепятся к кремниевому чипу, а вычисления выполняются путем соединения определенных нитей ДНК с до­бавляемыми молекулами ДНК. ДНК-нити кодируют все возможные значения переменных, а добавляемые к ним комплементарные ДНК соединяются с теми нитями, которые составляют решение, в один шаг. Оставшиеся несвязанные ДНК-нити удаляются. Этот процесс можно повторить нужное число раз, а реше­ние получается после расшифровки оставшейся ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), причем двоичное число соответствует восьминуклео-тидной последовательности. Направляемая с помощью ДНК сборка белков, в которой участвуют олигонуклеотиды, покрытые молекулами стрептавидина, открывает путь к целому множеству интереснейших приложений. Например, этим методом можно изготавливать структурированные массивы макромоле­кул с биотиновыми концевыми группами, которые образуют устойчивый ком­плекс со стрептавидином.

Наличие зарядов в ДНК уже используется для связывания ионов металлов, агрегирующих в наночастицы, например серебра. Их можно использовать в качестве затравки для последующего осаждения серебра с получением нано-проволок. Положительно заряженные производные фуллерена С₆₀ также кон­денсируются на ДНК. Точно так же при анализе ДНК, наночастицы CdS со­единяются с заряженным скелетом ДНК. Массивы ДНК-функционализиро-ванных CdS послойно собираются на золотом электроде из двух совокупностей ДНК: покрытых CdS и растворимой анализируемой. Пара олигонуклеотидов, связывающихся с наночастицей CdS, комплементарна к концевым группам ана­лизируемой ДНК. Сообщается также о конструкциях нанометровых геометри­ческих объектов и каркасах на синтетических молекулах ДНК с тремя и че­тырьмя концами.

Модифицированные или искусственные клетки могли бы найти примене­ние в бионанотехнологиях в качестве наноразмерных контейнеров доставки или даже нанореакторов. Большую роль в деятельности клетки играет ее мем­брана. С одной стороны, она выступает в качестве барьера, препятствующего рассеиванию содержимого клетки и ограждению ее от посторонних объектов, таких как вирусы. С другой же стороны, мембрана выполняет не только пас­сивную функцию, через нее осуществляется перенос ионов и химических ве­ществ, таких как белки, сахара и нуклеиновые кислоты, между клеткой и ее окружением. Мембрана служит не только внешней оболочкой, но также и раз­деляет клетки эукаритов на отсеки, выполняющие различные функции.

Клеточная мембрана показана на рис. 2.8.. Она состоит из липидного бис-лоя, обычно фосфолипидов, с которым связаны мембранные белки и органи­ческие макромолекулы на основе Сахаров, называемые полисахаридами. Ли-пидный бислой является структурным фундаментом мембраны, а белки и по­лисахариды обеспечивают ее химическую функциональность. Белки могут быть связаны с мембраной различными способами. Интегральные белки прочно связаны с мембраной, некоторые другие связаны только с отдельными повер­хностями внутри бислоя, например с гидрофобной поверхностью между угле­водородными хвостами, третьи полностью пронизывают мембрану, поэтому их называют трансмембранными белками, они очевидно играют наиболее важ­ную роль при переносе ионов и молекул сквозь мембрану. Интегральные бел­ки являются амфифильными веществами: два их конца, содержащие гидро­фильные группы, простираются в водную среду, а участок внутри бислоя в основном является гидрофобным. Считается, что интегральные белки, находясь в трансмембранном домене, благодаря водородным связям в полипептидной цепи, образуют а-спираль (см. рис. 2.8), уменьшающей действие полярных —ОН и —NH₂-rpynn на аполярное содержимое бислоя. В силу неполярной природы содержимого липидных бислоев мембрана является непроницаемой почти для всех ионов и полярных молекул, именно поэтому липидные мембраны обла­дают барьерными свойствами. Интегральные белки прочно связаны с липидным бислоем и зачастую служат каналами доставки ионов и молекул. Чтобы предотвратить попадание внутрь клетки нежелательных веществ, эти каналы должны обладать высокой степенью селективности. Интегральные белки не являются единственным средством мембранного транспорта, для этого суще­ствуют и другие белки. Транспортные белки необходимы для переноса сквозь мембрану клетки ионов, аминокислот, Сахаров и нуклеотидов. Они могут пе­реносить эти вещества на себе или образовывать каналы, по которым те по­ступают в клетку. Примером последнего может служить пчелиный яд, содер­жащий специальный белок мелетин, который образует каналы. В отличие от интегральных белков периферийные белки не соединены с мембранной, а связаны с ней либо водородной связью, либо посредством электростатичес­кого взаимодействия. Периферийные белки часто бывают соединены с интег­ральными.

Рис.2.8.

Везикулы, образованные липидами (их называют липосомы), представ­ляют собой модельные системы клеточной мембраны. Встраивание образу­ющих канал белков (поринов) в липидные бислои исследуется вот уже мно­го лет. За это время были разработаны синтетические имитации структуры и функций таких белков. Наиболее простой способ образовать везикулу — это сделать ее из липидных бислоев. Блок-сополимеры могут образовывать по-лимеризующиеся везикулы. Это позволяет инкапсулировать в них те или иные вещества. Сообщается о внедрении образующих каналы белков в запо-лимеризованные мембраны из триблок-сополимеров, что еще больше расши­ряет возможности использования биомиметических систем в качестве средств доставки и нанореакторов. Совсем недавно были разработаны рН-набухающие пористые системы типа ядро—оболочка, аналогичные рН-контролируе-мым порам, раскрывающим белковую оболочку вируса хлоротической мозаи­ки вигны. Соответствующей функционализацией поверхности можно улуч­шить распознавательные свойства бислоев, что особенно важно для примене­ний, связанных с доставкой. Модельной распознавательной системой является комплекс биотин-стрептавидин, устойчивость связи которого сравнима с ковалентной.