Wetenschappers weten al lang dat melanine, de pigmenten die de huid kleur geven, haar en ogen—heeft tal van nuttige eigenschappen, inclusief bescherming tegen kankerverwekkende UV-straling en vrije radicalen, maar ook elektronische geleiding, kleefkracht en het vermogen om energie op te slaan.

Om van deze kwaliteiten te profiteren, wetenschappers van de City University of New York (CUNY) hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het produceren van materialen die niet alleen de eigenschappen van melanine nabootsen, maar bieden ook ongekende controle over het uitdrukken van specifieke eigenschappen van het biopolymeer, volgens een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap . De ontdekking zou de ontwikkeling van cosmetische en biomedische producten mogelijk maken.

In tegenstelling tot andere biopolymeren, zoals DNA en eiwitten, waar een direct verband bestaat tussen de geordende structuren van de polymeren en hun eigenschappen, melanine is van nature ongeordend, dus een directe relatie tussen structuur en functie is niet mogelijk. Als resultaat, onderzoekers zijn niet in staat geweest om de eigenschappen van melanine volledig te benutten omdat de laboratoriumgebaseerde synthese van melanine is gedwarsboomd door de moeilijkheid om de wanordelijke moleculaire structuur ervan te manipuleren.

"We maakten gebruik van eenvoudige versies van eiwitten - tripeptiden, bestaande uit slechts drie aminozuren - om een ​​reeks moleculaire architecturen te produceren met nauwkeurig gecontroleerde niveaus van orde en wanorde, " zei hoofdonderzoeker Rein V. Ulijn, directeur van het Nanoscience Initiative bij het Advanced Science Research Center (ASRC) bij het Graduate Center, CUNY. "We waren verbaasd om te zien dat, na oxidatie van deze peptidestructuren, polymere pigmenten met een reeks kleuren - van lichtbeige tot diepbruin - werden gevormd."

Volgend, diepgaande karakterisering van de aanpak toonde aan dat verdere eigenschappen, zoals UV-absorptie en morfologie op nanoschaal van de melanine-achtige materialen, zou ook systematisch kunnen worden gecontroleerd door de aminozuursequentie van het tripeptide.

"We ontdekten dat de sleutel tot het bereiken van polymeren met gecontroleerde wanorde is om uit te gaan van systemen met een ingebouwde variabele volgorde, " zei Ayala Lampel, een postdoctoraal ASRC-onderzoeker en de eerste auteur van het artikel. "Eerst, we ontdekten hoe de aminozuursequentie van een reeks tripeptiden aanleiding geeft tot verschillend geordende architecturen. Volgende, we hebben deze geordende structuren gebruikt als sjablonen voor katalytische oxidatie om peptidepigmenten met een reeks eigenschappen te vormen."

De bevindingen gepubliceerd in Wetenschap voortbouwen op eerder onderzoek van Ulijn, die ook de Albert Einstein Professor of Chemistry is aan het Hunter College en lid is van de biochemie en chemie doctoraatsfaculteit van het Graduate Center. Zijn lab zal zich nu richten op het verder ophelderen van de chemische structuren die de resulterende functionaliteiten en eigenschappen van de verschillende melanine-achtige materialen vormen en uitbreiden. De onderzoekers streven ook naar commercialisering van deze nieuwe technologie, die mogelijkheden op korte termijn in cosmetica en biogeneeskunde omvat.

Christopher J. Bettinger, een Carnegie Mellon University-onderzoeker die gespecialiseerd is in melaninetoepassingen in energieopslag, werkte samen met het ASRC-team aan het huidige werk. Onder de ontdekte materialen, hij vond dat tweedimensionale, plaatachtige polymeren vertonen een aanzienlijke capaciteit voor het opslaan van lading. "Het uitbreiden van de samenstellingsparameters van deze peptiden zou de bruikbaarheid van de resulterende pigmenten aanzienlijk kunnen vergroten, en dit onderzoek kan ons ook helpen de structurele eigenschappen en functies van natuurlijke melanines beter te begrijpen, ' zei Bettinger.