ВОПРОС ПО ПРОШЛОЙ ЛЕКЦИИ НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ

ВОПРОС ПО ПРОШЛОЙ ЛЕКЦИИ

НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БЕЛКОВ И ПЕПТИДОВ Лекция 2 Белковые нанокапсулы и их применение. Основные белки, используемые в качестве капсул. Направленная модификация белковых капсул. Белковые капсулы в качестве контейнеров для направленной доставки. Белковые капсулы в качестве реакторов для синтеза небелковых и гибридных наночастиц.

Сравнение молекулярной клетки (С 60), органической и белковой (STNV) супрамолекулярных клеток Same-scale comparison of C 60 (left), chemical capsid 3 mode A (center), and satellite tobacco necrosis virus (right), each viewed along a fivefold symmetry axis. © 2007 by National Academy of Sciences Olson A J et al. PNAS 2007; 104: 20731 -20736

Белковые капсулы (клетки) бактериофаг MS 2 d 27 нм ферритин s. HSP d 12 нм люмазинсинтаза d 12 нм d 15 нм ДНК-связ. Белок DPS d 9 нм M. Uchida et al. , Adv. Mater. 2007, 19, 1025– 1042 DOI: 10. 1002/adma. 200601168 © 2007 WILEY-VCH Verlag Gmb. H & Co. KGa. A, Weinheim

Преимущества белковых капсул: - Самопроизвольность сборки капсулы - предсказуемость размеров и структуры - возможность контроля сборки/разборки - возможность направленной модификации - сборка протекает в мягких условиях For review see: http: //www. scribd. com/doc/43818020/Biometric-Nanoparticle

Шапероны Gro. EL/Gro. ES 17 нм, внутр. диаметр 4, 5 нм 800 k. Da (14 х 57 к. Да) Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

Шапероны Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

Шапероны

Ферритин р. Н 8, 5 р. Н 2 24 x. LFt или 24 x. HFt 12 нм; внутр. диаметр 7 -8 нм 2000 -4500 атомов Fe (5 Fe 2 O 3· 9 H 2 O? ) Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

DPS 9 нм; внутр. диаметр 4, 5 нм

Клатрин

Клатрин 36 М = 12 × 5 уг. + 8 × 6 уг. r AP 180 эпсин Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

Vaults (транспортные капсулы? )

Бактериальные микрокомпартменты

Бактериальные микрокомпартменты 80 -140 нм Current Opinion in Structural Biology , Volume 21, Issue 2, April 2011, Pages 223 -231

Бактериальные микрокомпартменты Карбоксисомы Prof. Todd O. Yeates, UCLA Dept. of Chem. and Biochem. 100 nm Tsai Y, Sawaya MR, Cannon GC, et al (June 2007). PLo. S Biol. 5 (6): e 144. DOI: 10. 1371/journal. pbio. 0050144

Бактериальные микрокомпартменты Ethanolamine-utilizing bacterial microcompartment (Eut-BMC) J Bacteriol. 2010 November; 192(22): 6056– 6063.

Бактериальные микрокомпартменты Связывание ферментов и кофакторов внутри полости [Fe, S] кластеры B 12 ATP NAD / NADH Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

Бактериальные микрокомпартменты Encapsulin shell в археях 24 нм

Контролируемая проницаемость белковых нанокапсул Бактериальные микрокомпартменты Zn 2+ Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 June 2; 106(22): 8883– 8887.

Контролируемая проницаемость белковых нанокапсул cowpea chlorotic mottle virus (CCMV)

Контролируемая проницаемость белковых нанокапсул Hsp 60 + АТР + НЧ Cd. S (2– 4 nm) капсулированная НЧ (75%) +quenching agent Гашение фл-ции Сохранение фл-ции N. A. Ranson, G. W. Farr, A. M. Roseman, B. Gowen, W. A. Fenton, A. L. Horwich and H. R. Saibil, Cell, 2001, 107, 869

Контролируемая проницаемость белковых капсул Частичная развертка (температура или Gu. HCl) Направленная мутация Leu 138 -Pro ферритин Поры закрыты Пептид. блокатор Хелатор металла Поры открыты

Направленная модификация белковых капсул. Возможные цели модификации: - функционализация - изменение внутреннего размера - иммобилизация - получение более сложных структур Способы модификации: - химическая м. , - направленный мутагенез.

Модификация белковой капсулы Поверхность: - функционализация - targeting - возможность получения более сложной архитектуры Внутр. поверхность: Интерфейс: - катализ - функционализация - возможность регуляции сборки-разборки M. Uchida et al. , Adv. Mater. 2007, 19, 1025– 1042 DOI: 10. 1002/adma. 200601168 © 2007 WILEY-VCH Verlag Gmb. H & Co. KGa. A, Weinheim

Модификация белковой капсулы (Неспецифическая) модификация внешней поверхности

Модификация белковой капсулы Иммобилизация на твердой подложке

Модификация белковой капсулы Иммобилизация на твердой подложкес Ферритин/Au Nanotechnology (2008) 19 025302.

Модификация белковой капсулы Изменение внутреннего размера Hsp 60 9 нм Сайт-направленный мутагенез 3 нм

Модификация белковой капсулы 1. Сайт-направленный мутагенез (SH) 2. Au. NP Генноинженерный CPMV

Модификация белковой капсулы Получение контролируемого агрегатного состояния твердый 30°С жидкокристаллический 50°С жидкий Инженерный ферритин/полимер-сурфактант

Применение белковых контейнеров 1) Капсулирование и транспорт низкомолекулярных соединений: лекарства сенсоры флюоресц. красители квантовые точки наночастицы металлов, оксидов и др. в т. ч. магнитные наночастицы в т. ч. контрастные агенты для MRI 2) Реактор для синтеза наночастиц внутри купсулы: металлы, биметалл. соед. , оксиды, халькогениды кремний и др. неметаллы 3) Катализ неферментативных реакций внутри клетки 4) Матрица для синтеза наночастиц на внешней поверхности 5) Организация наночастиц в структуры более высокого порядка

Применение белковых капсул Селективное капсулирование наночастиц по размеру Au. NP 6 9 12 нм

Белковые капсулы в качестве реакторов для синтеза небелковых наночастиц и др. соединений.

Биоминерализация

Магнетотактические бактерии магнетосомы магнетит

Магнетотактические бактерии

Биосинтез магнетита

Морфология кристаллов биомагнетита

Морфология кристаллов биомагнетита

Биоминерализация: диатомовые водоросли

Белки-антифризы

Белки-антифризы

Белки-антифризы

Белки-антифризы изменяют морфологию кристаллов льда

Белковые матрицы/ реакторы для наносинтеза 3000 -5000 атомов Fe J. Am. Chem. Soc. , (2008), 130 (25), 8062– 8068. Cu, Ag, Pd, Ni, Co JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY 2006, 16, 2757 -2761.

Белковые матрицы/ реакторы для наносинтеза dx. doi. org/10. 1021/ja 200746 p |J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 8617– 8624

Белковые матрицы/ реакторы для наносинтеза Примеры синтеза, катализируемого ферритином

Белковые матрицы/ реакторы для наносинтеза Примеры синтеза, катализируемого ферритином Size-controlled water-soluble extremely stable Ag nanoparticles Eur. J. Inorg. Chem. (2007) 4823– 4826 heterobimetallic nanoparticles Inorganic Chemistry 2003, 42, 6983 -6984.

Белковые реакторы для органического синтеза Pd(II) Suzuki cross-coupling: 4 -iodoaniline and phenylboronic acid → 4 -phenylaniline. S. Abe, J. Niemeyer, M. Abe, Y. Takezawa, T. Ueno, T. Hikage, G. Erker and Y. Watanabe, J. Am. Chem. Soc. , 2008, 130, 10512 Rh(II) polymerisation of phenylacetylene J Am Chem Soc. 2009 May 27; 131(20): 6958 -60. Polymerization of phenylacetylene by rhodium complexes within a discrete space of apo-ferritin. Abe S, Hirata K, Ueno T, Morino K, Shimizu N, Yamamoto M, Takata M, Yashima E, Watanabe Y.

Белковые матрицы/ реакторы для наносинтеза Синтез наночастиц на инженерном вирусном капсиде тетраэтоксиссилан, 45°С, 48 часов Wt CPMVi AP AP YSDQPTQSSQRP Пептид, отв. за связ-ние и нуклеацию Si N. F. Steinmetz et al. , DOI 10. 1002/smll. 200801348 © 2009 Wiley-VCH Verlag Gmb. H & Co. KGa. A, Weinheim Гибридные наночастицы CPMV-Si

Белковые матрицы для структурирования НЧ Организация наночастиц Au на внешней поверх-ти вирусного капсида

Белковые клетки как матрица для организации наночастиц в более организованные структуры

Белковые клетки как матрица для организации наночастиц в более организованные структуры Hsp 60 + Ni–Pd

Белковые клетки как матрица для организации наночастиц в более организованные структуры

Резюме: Преимущества капсулированных в белковые контейнеры наночастиц 1) Контроль размеров и форм!!! 2) Стабилизация коллоидной структуры 3) Усиление целевых свойств, например, магнитных или оптических 4) Возможность функционализации, например, для направленного транспорта 5) Возможность организации в более сложные структуры

Белковые капсулы в качестве контейнеров для доставки in vivo.

Белковые капсулы в качестве контейнеров для направленной доставки. Доставка лек. препаратов in vivo

Наноплатформы для направленной доставки: желаемые характеристики - Нетоксичность - небольшие размеры (10 -200 нм) - возможность капсулирования доставляемого агента - возможность функционализации поверхности - стабильность в физиологических условиях - высокое время жизни в крови/ткани - метаболизируемость - контролируемое высвобождение содержимого ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 4967– 4970 DOI: 10. 1021/nn 102324 e Publication Date (Web): September 28, 2010 Copyright © 2010 American Chemical Society

Наноплатформы для направленной доставки: сравнение Материал капсулы Размер, нм наполнитель плюсы ограничения Орг. (в т. ч. био) полимеры 10 -100 Белки, пептиды, плазмидные ДНК, низкомолек. органика, лек. препараты, imaging агенты Хорошее удерживание содержимого, биосовместимость Экзоцитоз нерастворенных наночастиц керамика <100 Белки, ДНК, лек. препараты, орг. полимеры Стабильность в биол. системах, легкость приготовления Токсичность, экзоцитоз н/р частиц, трудности функционализации металлы <50 Белки, ДНК, лек. препараты Большая поверхность для функционализации Токсичность, экзоцитоз н/р частиц, трудности функционализации Полимерные мицеллы, дендримеры <100 Белки, ДНК, лек. препараты Подходят для гидрофобных лек. средств токсичность Липосомы 50 -100 Белки, ДНК, лек. препараты Невысокая токсичность, высокое время циркуляции Невысокая коллоидная стабильность, возможность утечки содержимого фосфосиликаты 20 -60 РНК, низко- и высокомолек. органика, лек. препараты, imaging агенты ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 4967– 4970 DOI: 10. 1021/nn 102324 e Publication Date (Web): September 28, 2010 Copyright © 2010 American Chemical Society

Наноконтейнер с грузом терапевтического препарата © 2006— 2011 Visual Science

Нановакцина на основе модифицированных аденовирусых частиц © 2006— 2011 Visual Science

J Am Chem Soc. 2009 Feb 25; 131(7): 2484 -6. Protein nanoparticles engineered to sense kinase activity in MRI. Shapiro MG, Szablowski JO, Langer R, Jasanoff A. Доставка сенсора РКА активности на основе ферритина in vivo

Доставка магнитных частиц на основе IO (оксида железа) SPIO (суперпарамагнитные) 60 -150 нм USPIO (ультрамаленькие) 10 -50 нм MINO (монокристаллические) Области применения: - multi-terabit storage device, - catalysis, - sensors, - and a platform for high-sensitivity MRI.

Доставка магнитных частиц на основе IO (оксида железа)

J Am Chem Soc. 2006 Dec 27; 128(51): 16626 -33. Targeting of cancer cells with ferrimagnetic ferritin cage nanoparticles. Uchida M, Flenniken ML, Allen M, Willits DA, Crowley BE, Brumfield S, Willis AF, Jackiw L, Jutila M, Young MJ, Douglas T.

Int J Nanomedicine. 2008; 3(3): 311 -21. Targeted magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy. Peng XH, Qian X, Mao H, Wang AY, Chen ZG, Nie S, Shin DM.

Доставка магнитных частиц In vivo magnetic targeting of drug-loaded nanoparticles to a liver tumor in a rat model was demonstrated and visualized by MRI. Histology confirmed the localization of the particles to the liver tumor with no occurrence in other organs.

Доставка квантовых точек In vivo fluorescence imaging of subcutaneous flank tumor bearing mice seven days after coinjection of fluorescent SPION labeled h. MSC and unlabeled C 6 gliomas.

Доставка сенсоров на основе квантовых точек