Microscopische versies van de cocons gesponnen door zijderupsen zijn vervaardigd door een team van onderzoekers. De kleine capsules, die met het blote oog onzichtbaar zijn, kan gevoelige moleculaire materialen beschermen, en zou een belangrijke technologie kunnen blijken op gebieden zoals voedselwetenschap, biotechnologie en geneeskunde.

De capsules zijn gemaakt aan de Universiteit van Cambridge met behulp van een speciaal ontwikkeld micro-engineeringproces. Het proces bootst op microschaal de manier na waarop Bombyx mori zijderupsen de cocons spinnen waaruit natuurlijke zijde wordt geoogst. De resulterende capsules op micronschaal bestaan ​​uit een solide en taai omhulsel van zijden nanofibrillen die een centrum van vloeibare lading omringen en beschermen, en zijn meer dan duizend keer kleiner dan die gemaakt door zijderupsen.

Schrijven in het journaal Natuurcommunicatie , het team suggereert dat deze "micrococons" een mogelijke oplossing zijn voor een veelvoorkomend technologisch probleem:hoe gevoelige moleculen te beschermen die potentiële gezondheids- of voedingsvoordelen hebben, maar kunnen deze gunstige eigenschappen gemakkelijk afbreken en verliezen tijdens opslag of verwerking.

De studie stelt dat het verzegelen van dergelijke moleculen in een beschermende laag zijde het antwoord zou kunnen zijn, en dat zijden micrococons die veel te klein zijn om te zien (of te proeven) kunnen worden gebruikt om kleine deeltjes nuttige moleculaire "lading" in verschillende producten te huisvesten, zoals cosmetica en voedsel.

Dezelfde technologie zou ook in geneesmiddelen kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan ernstige en slopende ziekten te behandelen. In de studie, de onderzoekers toonden met succes aan dat zijden micrococons de stabiliteit en levensduur kunnen verhogen van een antilichaam dat inwerkt op een eiwit dat betrokken is bij neurodegeneratieve ziekten.

Het werk werd uitgevoerd door een internationaal team van academici van de universiteiten van Cambridge, Oxford en Sheffield in het VK; het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich, Zwitserland; en het Weizmann Institute of Science in Israël. De studie werd geleid door professor Tuomas Knowles, een Fellow van St John's College aan de Universiteit van Cambridge en co-directeur van het Center for Protein Misfolding Diseases.

"Het is een veelvoorkomend probleem op een aantal gebieden van groot praktisch belang om actieve moleculen te hebben die gunstige eigenschappen hebben, maar die moeilijk te stabiliseren zijn voor opslag", zei Knowles. "Een conceptueel eenvoudig, maar krachtig, oplossing is om deze in kleine capsules te doen. Dergelijke capsules zijn meestal gemaakt van synthetische polymeren, die een aantal nadelen kan hebben, en we hebben onlangs het gebruik van volledig natuurlijke materialen voor dit doel onderzocht. Er is potentieel om kunststoffen te vervangen door duurzame biologische materialen, zoals zijde, Voor dit doeleinde."

Dr. Uliana Shimanovich, die een groot deel van het experimentele werk uitvoerde als postdoctoraal onderzoeksmedewerker van St John's College, zei:"Zijde is een fantastisch voorbeeld van een natuurlijk structureel materiaal. Maar we moesten de uitdaging overwinnen om de zijde zo te beheersen dat we het naar onze ontwerpen konden vormen, die veel kleiner zijn dan de natuurlijke zijden cocons."

Dr. Chris Holland, medewerker en hoofd van de Natural Materials Group in Sheffield voegde toe:"Zijde is geweldig omdat, hoewel het wordt bewaard als een vloeistof, spinnen verandert het in een vaste stof. Dit wordt bereikt door de zijde-eiwitten uit te rekken terwijl ze door een microscopisch buisje in de zijderups stromen."

Om dit te imiteren, de onderzoekers creëerden een kleine, kunstmatige spinnende buis, die het natuurlijke spinproces kopieert om ervoor te zorgen dat de ongesponnen zijde zich tot een vaste stof vormt. Vervolgens bedachten ze hoe ze de geometrie van deze zelfassemblage konden regelen om microscopisch kleine schelpen te maken.

Het kan een uitdaging zijn om conventionele synthetische capsules te maken op een milieuvriendelijke manier en uit biologisch afbreekbare en biocompatibele materialen. Zijde is niet alleen gemakkelijker te produceren; het is ook biologisch afbreekbaar en vereist minder energie om te produceren.

"Natuurlijke zijde wordt al gebruikt in producten zoals chirurgische materialen, zodat we weten dat het veilig is voor menselijk gebruik, Professor Fritz Vollrath, hoofd van de Oxford Silk Group, zei. de aanpak verandert niets aan het materiaal, gewoon zijn vorm."

Zijden micrococons zouden ook het bereik en de houdbaarheid van eiwitten en moleculen die beschikbaar zijn voor farmaceutisch gebruik kunnen uitbreiden. Omdat de technologie antilichamen kan behouden, die anders zou verslechteren, in cocons met wanden die zo kunnen worden ontworpen dat ze na verloop van tijd oplossen, het zou de ontwikkeling van nieuwe behandelingen tegen kanker mogelijk kunnen maken, of neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson.

Om de levensvatbaarheid van zijden microcapsules in dit opzicht te onderzoeken, de onderzoekers hebben de micrococons met succes getest met een antilichaam dat is ontwikkeld om in te werken op alfa-synucleïne, het eiwit waarvan wordt gedacht dat het slecht functioneert aan het begin van het moleculaire proces dat leidt tot de ziekte van Parkinson. Deze studie werd uitgevoerd met de steun van het Cambridge Centre for Misfolding Diseases, wiens onderzoeksprogramma is gericht op het zoeken naar manieren om neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson te voorkomen en te behandelen.

"Sommige van de meest effectieve en best verkopende therapieën zijn antilichamen, "Michele Vendruscolo, mededirecteur van het Cambridge Centre of Misfolding Diseases, zei. "Echter, antilichamen hebben de neiging vatbaar te zijn voor aggregatie bij de hoge concentraties die nodig zijn voor aflevering, wat betekent dat ze vaak worden afgeschreven voor gebruik in behandelingen, of moeten worden ontworpen om de stabiliteit te bevorderen."

"Door dergelijke antilichamen in micrococons op te nemen, zoals we hier deden, we konden niet alleen hun levensduur aanzienlijk verlengen, maar ook het scala aan antilichamen dat we tot onze beschikking hebben, " zei Knowles. "We zijn erg enthousiast over de mogelijkheden om de kracht van microfluïdica te gebruiken om geheel nieuwe soorten kunstmatige materialen te genereren uit volledig natuurlijke eiwitten."

De studie, Zijden microcoons voor eiwitstabilisatie en moleculaire inkapseling, is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .