izpis_h1_title_alt

Načrtovane nanostrukture iz več polipeptidnih verig
ID Snoj, Jaka (Avtor), ID Jerala, Roman (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (10,13 MB)
MD5: 912F89F2E92228B01C678A09A068525F
.pdfPDF - Priloga, prenos (3,58 MB)
MD5: 6AF1FBE76C745BA3D44FA1A3B1F174A2

Izvleček
V naravi najdemo mnoge kompleksne biološke strukture in materiale, ki so zmožni samo-sestavljanja in so zgled za pripravo novih načrtovanih nanomaterialov z možnostmi za uporabo na različnih področjih našega življenja. Eden od pristopov sintezne biologije, s katerim lahko načrtujemo molekulske interakcije na nanometerskem nivoju, je de novo načrtovanje proteinskih gradnikov, ki temelji na zaporedju peptidnih segmentov (?-vijačnic) v polipeptidni verigi, ki kot ortogonalni pari tvorijo obvite vijačnice (OV) in s tem omogočajo samo-sestavljanje polipeptidne verige. Naša skupina je demonstrirala uspešno načrtovanje stabilnih kletk z različno geometrijo (tetraeder, piramida, bipiramida) iz ene same polipeptidne verige, kjer so robove predstavljale OV ortogonalnih parov peptidnih segmentov. Načrtovanje večjih in kompleksnejših struktur z namenom raznovrstne uporabe, kot je na primer enkapsulacija molekul, zahteva povezovanje več verig, kar predstavlja izzive in potrebuje pristop z drugačno strategijo. V tem doktorskem delu smo razširili uporabo peptidnih segmentov, ki tvorijo OV, na načrtovanje in pripravo nanostruktur, ki se sestavijo iz več polipeptidnih verig. Tipi več-verižnih nanostruktur, ki smo jih poskusili načrtovati, so vključevali diskretne kletke pravilnih (tetraeder, trigonalna bipiramida) in asimetričnih oblik (konkavni oktaeder) ter večje nanostrukture na osnovi periodičnih ponovitev (proteinska nanovlakna in proteinske nanomreže). Sestavljanje nanostruktur v predviden tip smo poskusili usmerjati preko preorganizacije proteinskih komponent z različnimi strategijami, kot so ciklizacija verig z inteinskim cepljenjem in spajanjem, vpeljava fleksibilnih ali rigidnih povezovalcev in vpeljava trimerizacijskih domen ter znotraj-verižnih povezav OV. Prvi od treh konceptov, ki smo jih razvijali tekom doktorata, je bil načrtovanje mrež na podlagi himernih proteinov s segmenti za tvorbo med-verižnih OV, katerih planarno orientacijo povezovanja naj bi narekovale trimerizacijske domene na himernih proteinih. Izkazalo se je, da uporabljeni trimerizacijski domeni foldon in kolagenska domena nista nudili dovolj rigidne in planarne orientacije za tvorbo OV in smo namesto periodično ponavljajočih se mrež sestavili diskretne 6-merne strukture. Naslednji koncept, ki smo ga preizkusili, je bil samo-sestavljanje nanovlakna iz himernih proteinov iz dveh zaporednih segmentov za tvorbo OV in vmesnega povezovalca. Uporabili smo dva različna himerna proteina s komplementarnimi segmenti za tvorbo OV, kar naj bi omogočilo njihovo periodočno zlaganje enega za drugim v dveh vzporednih verigah. Strategija je predvidevala tudi dodatno stabilizacijo teh niti s tvorbo kovalentnih vezi med posameznimi enotami, kar smo želeli doseči z uporabo razcepljenih inteinov, ki so sposobni samo-izrezovanja in spajanja ostankov. S tem konceptom smo testirali različne ortogonalne pare razcepljenih inteinov in optimizirali pogoje za uspešno reakcijo rezanja in spajanja v načinu cis, kar smo uporabili v dizajnih, ki so vsebovali ciklizirane proteine. Tretji koncept je predvideval načrtovanje več-verižnih proteinskih struktur na osnovi cikliziranih peptidnih verig. Polipeptide iz treh ali šestih segmentov za tvorbo OV in povezovalcev smo ciklizirali v bakterijskih celicah z uporabo razcepljenega inteina, ki je sprožil ciklizacijo s cepljenjem in spajanjem N in C terminalnega konca himernega proteina. Na ta način smo dobili himerne proteine preorganizirane v stabilni obliki trikotnikov ali rombov, ki so imele definirane notranje kote med segmenti, kar je omogočalo večjo predvidljivost za načrtovanje več-verižnih struktur. Iz cikliziranih trikotnih himernih proteinov, kjer smo variirali kofiguracijo segmentov za tvorbo OV, smo želeli sestaviti različne strukture, kot so 8-komponentni oktaeder, 12 komponentna heksagonalna bipiramida in nanomreže. Naslednji dizajn je predvideval nastanek večjih pravilnih struktur iz trikotnikov in kratkega linearnega peptida sestavljenega iz dveh segmentov za tvorbo OV in vmesnega povezovalca. Vsi dizajni, ki so vsebovali trikotnike, so bili neuspešni, ker se je izkazalo, da ciklizirani trikotniki niso bili zmožni tvoriti interakcijskih površin v obliki OV z vsemi svojimi tremi stranicami naenkrat. Ciklizirani rombi, ki so vsebovali eno znotraj-verižno OV in 4 proste segmente za tvorbo OV, so se izkazali za uspešne podenote za tvorbo več-verižnih nanostruktur. Pokazali smo, da so ciklizirani rombi potrebni za uspešno sestavljanje struktur, kot sta dvoverižni tetraeder in tro-verižni konkavni oktaeder. V doktorskem delu smo uspešno razširili uporabo peptidnih segmentov, ki tvorijo OV, na načrtovanje nanostruktur, sestavljenih iz več polipeptidnih verig. Z uporabo trimerizacijskih domen smo pripravili diskretne, več-verižne strukture, za načrtovanje periodično ponavljajočih se nanomrež pa sta se trimerizacijski domeni foldon in kolagenska domena izkazali kot neustrezni. Poskus načrtovanja nanovlaken s kratkimi linearnimi peptidi in inteinsko stabilizacijo nam je služil predvsem za optimizacijo inteinske reakcije, kar smo aplicirali pri načrtovanju več-verižnih struktur iz cikliziranih himernih proteinov. S pomočjo razcepljenih inteinov smo ciklizirali peptidne verige in jih tako preorganizirali v trikotnike ali rombe. Slednji so se izkazali za ustrezne podenote za uspešno sestavljanje več-verižnih struktur, kot so dvo-verižni tetraeder, tro-verižni konkavni oktaeder in trigonalna bipiramida.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:obvite vijačnice, proteinski origami, cepljenje in spajanje z inteini, trimerizacijske domene, več-verižne strukture, proteinske niti, proteinske mreže
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Organizacija:MF - Medicinska fakulteta
Leto izida:2024
PID:20.500.12556/RUL-158806 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:21.06.2024
Število ogledov:201
Število prenosov:89
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Designed multi-chain polypeptide nanostructures
Izvleček:
In nature, we encounter a multitude of intricate biological structures and materials capable of self-assembly, serving as an inspiration for the development of novel man-made nanomaterials with diverse applications. Synthetic biology offers a promising avenue to engineer molecular interactions at the nanometer scale, and one such approach involves the de novo design of protein building blocks based on the sequence of α-helical peptide segments. These segments, forming orthogonal pairs that create coiled-coil helices (CC), facilitate the self-assembly of the polypeptide chain. Our research group has successfully showcased the design of stable cages with various geometries (tetrahedron, pyramid, bipyramid) from a single polypeptide chain, where orthogonal pairs of peptide segments represent the edges. We aim to design larger and more intricate structures, relying on CC interactions for various applications like molecular encapsulation. One strategy to achieve this goal involves connecting multiple chains which presents many challenges and addressing them is the primary focus of this Ph.D. During the doctoral work, we expanded the utilization of peptide segments forming CC to design and prepare nanostructures composed of multiple polypeptide chains. The envisioned multi-chain nanostructures included discrete cages of regular (tetrahedron, trigonal bipyramid) and irregular shapes (concave octahedron), as well as larger structures with periodic repetition features (protein nanofibers and protein lattices). Our attempts to guide the assembly of nanostructures towards the intended types involved the preorganization of protein components using various strategies, such as chain cyclization with intein splicing, introduction of flexible or rigid linkers, and incorporation of trimerization domains and intra-chain CC connections. The first of the three concepts developed during the doctoral research focused on designing lattices assembled from multiple subunits connected via CC-forming segments. The planar orientation of these connecting segments was intended to be dictated by trimerization domains on the subunits. However, the utilized foldon and collagen trimerization domains did not provide sufficient rigidity and planar orientation, leading to the assembly of discrete 6-mer structures instead of the intended periodically repeating networks. Nevertheless, we have structurally analyzed these novel multimeric structures using small-angle X-ray scattering (SAXS). The second concept involved two subunits with complementary CC-forming segments designed to self-assemble into nanofibers. We aimed to achieve periodic stacking of the subunits to form two connected parallel chains. The strategy also involved additional stabilization of these threads through the formation of covalent bonds between terminal ends of the individual units, which we sought to achieve using split inteins capable of protein splicing. While this concept did not succeed in assembling longer threads, we explored various orthogonal pairs of split inteins and optimized conditions for successful cis splicing, which we applied in designs involving cyclized subunits. The third concept envisioned designing multi-chain protein structures based on cyclized peptide chains. Polypeptides with three or six CC-forming segments were cyclized in bacterial cells using split inteins, initiating cyclization through splicing of the N- and C-terminal ends of the subunit. This approach resulted in subunits preorganized into stable forms of triangles or bi-trigons, featuring defined internal angles between segments, providing greater predictability for designing multi-chain structures. Attempts to assemble various structures from cyclized triangular subunits proved unsuccessful. Still, cyclized rhombs, containing one intra-chain CC and four free segments for CC formation, emerged as successful subunits for constructing multi-chain nanostructures. We demonstrated that cyclized rhombs are crucial for the successful assembly of structures such as a two-chain tetrahedron and a three-chain concave octahedron. In summary, our doctoral work successfully extended the use of peptide segments forming CC to design nanostructures composed of multiple polypeptide chains. By utilizing trimerization domains, we prepared discrete multi-chain structures, while attempts to design periodically repeating lattices using foldon and collagen trimerization domains proved unsuccessful. Our exploration of nanofiber self-assembly with short linear peptides and intein stabilization primarily served to optimize intein reactions, which we applied to the design of multi-chain structures from cyclized subunits. Using split inteins we cyclized peptide chains to preorganize them into triangles or bitrigonal shapes. The latter proved to be suitable subunits for successfully assembling multi-chain structures such as a two-chain tetrahedron and a three-chain concave octahedron. This research contributes valuable insights into the intricate world of de novo-designed protein structures and their potential applications in nanotechnology.

Ključne besede:coiled-coils, ccpo, intein splicing, trimerization domains, multi-chain structures, protein fibers, protein lattice

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj