Folosind cel mai puternic adeziv al naturii pentru a proiecta biomateriale și mai puternice

Scientists Explore Nature’s Strongest Glue to Design Even Stronger Biomaterials.

A scoate o midie din stâncă, lemn sau orice altceva este greu. Moluștele subacvatice au un secret lipicios care i-a fascinat pe cercetători de mult timp.

Credit imagine: Shutterstock.com/ Formatoriginal

De ani de zile, oamenii de știință au încercat să imite adezivul uimitor și proprietățile sale în laborator, urmărind unele dintre cele opt proteine ​​pe care midiile le descarcă și le folosesc pentru a le aplica pe un organ cunoscut sub numele de picior pe care midiile îl folosesc pentru a adera la suprafețe.

În prezent, folosind o tehnică unică de organizare a moleculelor, oamenii de știință de la Universitatea Northwestern au dezvoltat un material care funcționează chiar mai bine decât lipiciul pe care încercau să îl reproducă. Rezultatele lor, raportate în 3 martierd număr al Jurnalului Societatea Americană de Chimieextinde modul în care acești polimeri asemănători proteinelor pot fi folosiți ca platformă pentru a dezvolta noi materiale și terapii.

Polimerul ar putea fi folosit ca adeziv într-un context biomedical, ceea ce înseamnă că acum îl puteți lipi de un anumit țesut din organism. Și păstrați alte molecule în apropiere într-un singur loc, ceea ce ar fi util în vindecarea sau repararea rănilor.

Nathan Gianneschi, conducător de studiu și profesor de chimie Jacob și Rosaline Cohn, Colegiul de Arte și Științe Weinberg, Universitatea Northwestern

Proteine ​​precum cele descărcate de picioarele midii sunt prezente în natură. Evoluția a făcut un obicei de a modela aceste lanțuri lungi și liniare de aminoacizi care se repetă din nou și din nou (cunoscute sub numele de proteine ​​repetate în tandem sau TRP).

Apărând din când în când puternice, elastice și lipicioase, structurile proteice pot fi găsite în mătase de păianjen, aripi și picioare de insecte și picioare de midii. Cercetătorii sunt conștienți de secvențele principale precise de aminoacizi care constituie multe astfel de proteine, dar întâmpină dificultăți în imitarea procesului natural complicat, păstrând în același timp calitățile excepționale.

Primul autor al studiului, Or Berger, un cercetător postdoctoral în laboratorul lui Gianneschi, care explorează peptidele – chiar aceste șiruri de aminoacizi – a formulat o idee despre cum să organizeze blocurile de construcție a aminoacizilor într-un mod diferit pentru a reproduce proprietățile, în loc să copieze direct structura proteinei. a midii.

Prin extragerea blocului de construcție a uneia dintre proteine ​​(decapeptida repetată, o secvență de 10 aminoacizi care constituie proteina piciorului de midii) și inserarea acesteia în polimer sintetic, Berger a considerat că proprietățile pot fi îmbunătățite.

În calitate de director asociat al Institutului Internațional pentru Nanotehnologie, Gianneschi și-a proiectat cea mai mare parte a laboratorului în jurul ideii de a imita proteinele în funcție prin utilizarea chimiei polimerilor. În cadrul terapiei de precizie, terapiile medicamentoase, cum ar fi anticorpii și alte molecule mici, luptă împotriva unor boli, în care un nanopurtător este folosit pentru a livra un medicament către o țintă mai eficient.

Dar Gianneschi spune că reproducerea proteinelor ar putea aborda dificultățile biologice în mod diferit, prin modificarea interacțiunilor în interiorul și între celule care influențează dezvoltarea bolii, sau între țesuturi, celule și materiale.

Proteinele aranjează aminoacizii ca lanțuri, dar în schimb i-am luat și i-am aranjat în paralel, pe o coloană densă de polimer sintetic. Acesta a fost același lucru pe care am început să-l facem pentru controlul interacțiunilor biologice specifice, așa că aceeași tehnologie de platformă pe care o vom folosi pentru terapiile viitoare a devenit cu adevărat potențial interesantă în știința materialelor.

Nathan Gianneschi, conducător de studiu și profesor de chimie Jacob și Rosaline Cohn, Colegiul de Arte și Științe Weinberg, Universitatea Northwestern

Rezultatul a fost ceva care seamănă cu o perie de peptide în loc să unească împreună aminoacizii într-o linie dreaptă ca un lanț. În timp ce noul proces poate părea ca încorporează o etapă suplimentară, formarea polimerilor asemănători proteinelor (PLP) omite numeroși pași, necesitând oamenilor de știință să formeze peptide într-un sintetizator ușor accesibil și să le conecteze la coloana vertebrală bine ambalată, în loc să treacă prin pași obositoare de proteine. expresie.

Pentru a testa eficacitatea noului material, oamenii de știință au aplicat fie materialul polimeric, fie proteina nativă de midii pe plăci de sticlă. Echipa a poziționat celulele pe plăci și apoi, după ce le-a spălat, a evaluat câte celule mai erau prezente, atașate sau nu, pentru a măsura cât de bine au funcționat materialele. Ei au aflat că PLP a format un superglue celular, lăsând majoritatea celulelor atașate în comparație cu amestecul nativ și placa netratată.

De fapt, nu am vrut să îmbunătățim proprietățile midii. Am vrut doar să-l imităm, dar când am mers și l-am testat în mai multe teste diferite, am obținut proprietăți mai bune decât materialul nativ în aceste setări.

Sau Berger, primul autor al studiului și cercetător postdoctoral în laboratorul lui Gianneschi, Universitatea Northwestern

Cercetătorii cred că modelul poate fi utilizat pe scară largă în alte proteine ​​care își repetă secvența pentru a câștiga funcție într-un mod nou de a reproduce proteine. Ei susțin că o astfel de platformă ar putea funcționa mai bine decât echivalentele lor native, deoarece sunt mai dense și extensibile.

Gianneschi a spus că acesta este primul dintre multe articole de cercetare care explorează imitațiile proteinelor pe bază de polimeri și că planifică deja aplicații pentru materiale viitoare.

Resilina, de exemplu, o proteină flexibilă găsită în picioarele și aripile insectelor, ar putea fi utilizată pentru a crea drone versatile și alte roboti.

Când vorbești despre polimeri, unii oameni se gândesc imediat la pungi și sticle de plastic. În schimb, acestea sunt materiale foarte funcționale, avansate de precizie, făcute accesibile.

Nathan Gianneschi, conducător de studiu și profesor de chimie Jacob și Rosaline Cohn, Colegiul de Arte și Științe Weinberg, Universitatea Northwestern

Gianneschi și Berger sunt inventatori privind proprietatea intelectuală în așteptare în acest domeniu. Gianneschi este, de asemenea, profesor de inginerie biomedicală și știința materialelor și inginerie la Școala de Inginerie McCormick și membru al Institutului de chimie a proceselor de viață, al Institutului Simpson Querrey și al Centrului cuprinzător al cancerului Robert H. Lurie al Universității Northwestern.

Gianneschi este co-fondatorul unei companii, Grove Biopharma, care își propune să creeze versiuni ale acestor materiale ca terapii translaționale.

Studiul a fost condus de o echipă din nord-vest, cu sprijinul laboratoarelor profesorilor de inginerie chimică și biologică Muzhou Wang și Danielle Tullman-Ercek. Studiul a primit sprijin de la National Science Foundation’s Division of Materials Research (Premiul numarul 2004899).

Referință jurnal:

Berger, O., et al. (2022) Un polimer protemimetic inspirat de adeziv de midii. Societatea Americană de Chimie. doi.org/10.1021/jacs.1c10936.

Sursa: https://northwestern.edu

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.