Открывая новые двери: первый синтетический механочувствительный калиевый канал

Заинтригованные свойствами белков ионных каналов, обычно наблюдаемых в клетках, исследователи из Tokyo Tech разработали первый синтетический механоый калиевый канал с использованием недавно разработанного ароматического фторированного амфифильного циклофана. Демонстрируя как способность «реагировать на стимулы», так и способность к «избирательному транспорту ионов», их новый ионный канал может открыть новые двери для будущего терапевтического и промышленного использования синтетических механочувствительных каналов.


Природа вдохновляет человечество множеством способов. Возьмем, к примеру, «чувствительные к раздражителям» белки ионно-транспортных каналов. Эти белки встроены в клеточные мембраны и реагируют на различные внешние раздражители, включая свет, рН и механическую силу. Учитывая их решающую роль в нескольких биологических процессах, исследователи попытались синтезировать искусственные версии этих белков каналов для использования в терапевтических и промышленных условиях. Однако успех в их синтезе был призрачным. Сложные структурные требования к реакции на раздражители и специфические свойства переноса ионов были определены как основное препятствие для их синтеза.

Преодолев эти трудности, исследователи из Токийского технологического института (Tokyo Tech) под руководством доцента Кохеи Сато и профессора Казуши Кинбара недавно разработали первый синтетический механочувствительный (реагирующий на механическую силу) канал с селективностью по ионам калия. Их выводы опубликованы в Журнал Американского химического общества. Говоря об исследовании, Assist. Профессор Сато и профессор Кинбара из Школы биологических наук и технологий Токийского технологического института (Tokyo Tech) говорят: «Благодаря нашему опыту в разработке многоблочных амфифилов, которые самособираются с образованием надмолекулярных ионных каналов, мы выдвинули гипотезу, что линейные амфифилы не подходили для транспортировки специфических ионов, поэтому мы попытались структурно модифицировать, чтобы включить как чувствительность к раздражителям, так и ионную селективность».

Как отмечает Assist. Профессора Сато и профессора Кинбара исследователи модифицировали структуру сложной органической молекулы, известной как многоблочный амфифил, чтобы включить перфторированную ароматическую единицу. Полученная структура, фторированный амфифильный циклофан, содержала гидрофобные перфторированные олиго(фенилен-этиниленовые) звенья и гидрофильные окта(этиленгликолевые) линкеры. Исследователи также разработали один частично фторированный и один нефторированный амфифильный циклофан для изучения влияния ароматического фторирования.

Микроскопия показала, что как перфторированный циклофан, названный CФФ, и частично фторированный циклофан, названный CФХ, мог встраиваться в липидную бислойную мембрану, в то время как нефторированный циклофан не мог. Затем исследователи проанализировали свойства переноса ионов, реакцию на стимулы и селективность ионов калия C.ФФ и СФХ с использованием измерений проводимости, флуоресцентных анализов и вычислительных исследований. Они определили, что оба CФФ и СФХ самосборка в бислойной мембране с образованием надмолекулярных ионных каналов. Более того, протекание тока через мембрану подтвердило свойство трансмембранного переноса ионов обоих CФФ и СФХболее эффективный и выраженный в CФФ.

Изменения в токе при приложении натяжения мембраны дополнительно подтвердили чувствительность каналов, образованных C, к раздражителям.ФФ и СФХ. Свойство ионного транспорта CФФ был значительно затронут, в то время как он не сильно изменился для CФХ. Ассистент Профессор Сато, профессор Кинбара и их команда приписывают эти вариации дифференциальному взаимодействию ароматических звеньев CФХ и СФФ внутри мембраны.

Наконец, флуоресцентный анализ показал самую высокую проницаемость CФФ для ионов калия по сравнению с другими катионами щелочных металлов. Команда обнаружила, что за это явление ответственно более высокое сродство ионов калия к атомам фтора в ядре структуры.

Комментируя эти выводы, Assist. Профессор Сато и профессор Кинбара говорят: «Тот факт, что надмолекулярный ионный канал, образованный CФФ обладает такой реакцией на раздражители, а избирательность ионов калия не только интригует, но и поразительно похожа на механочувствительные каналы, обнаруженные в нейронах млекопитающих».

С этой демонстрацией уже видны такие возможности, как разработка методов лечения заболеваний, связанных с ионными каналами, управление важными биологическими процессами и разработка промышленных технологий очистки материалов!