Medische apparaten die worden aangedreven door synthetische eiwitten die zijn gemaakt op basis van herhaalde sequenties van eiwitten, kunnen mogelijk zijn, volgens materiaalwetenschap en biotechnologie-experts, die naar materiaal keek dat geïnspireerd was op de eiwitten in ringtanden van inktvissen.

"De vraag die we hadden was of we flexibele en zelfherstellende medische apparaten konden maken om op protonen te werken zoals biologische systemen doen, " zei Melik Demirel, Pierce Development Professor en hoogleraar technische wetenschappen en mechanica. "De natuur weet hoe ze protonen moet overbrengen, bijvoorbeeld bij het opladen van biologische energie die bekend staat als ATP (adenosinetrifosfaat)."

Momenteel, protonoverdracht is een integraal onderdeel van brandstofcellen, maar deze cellen gebruiken ionenoverdrachtsmembranen zoals Nafion, vervaardigd uit polymeren die niet biocompatibel zijn. De toekomstvisie is om implanteerbare medische apparaten te hebben die zonder batterijen kunnen werken, met behulp van protonengeleiding, maar om dat te doen, de protongeleiders moeten biocompatibel zijn.

Polymeren vervaardigd uit eiwitten geïnspireerd op inktvisringtanden zijn niet alleen biocompatibel, ze zijn ook zelfgenezend, flexibel en rekbaar. Omdat ze biosynthetisch worden vervaardigd door de DNA-sequenties te kiezen, vervaardiging van deze eiwitten kan worden geprogrammeerd om variërende geleidbaarheid en flexibiliteit te hebben. Zolang een materiaal 60 procent - typisch in het lichaam - of meer water bevat, protongeleiding kan optreden.

Helaas, op eiwit gebaseerde protongeleiders zijn niet zo krachtig of efficiënt als polymeergeleiders, dus waren de onderzoekers op zoek naar een manier om de protonengeleiding van het materiaal te optimaliseren. Ze rapporteren de resultaten van hun werk online in Chemie van materialen .

Inktvis-ring-tanden eiwitten, opgebouwd uit aminozuren, bevatten veel tandemherhalingen in hun moleculaire samenstelling. Tandemherhalingen zijn meestal korte reeksen moleculen die zijn gerangschikt om zichzelf een willekeurig aantal keren te herhalen. De onderzoekers creëerden op inktvis geïnspireerde eiwitten met 4, 7, 11 en 25 herhalingen. Van deze materialen maakten ze vervolgens films.

De onderzoekers ontdekten dat het verhogen van het aantal tandemherhalingen de protongeleiding van de eiwitten verhoogde. Ze probeerden verschillende combinaties van aminozuren en ontdekten dat het vervangen van histidinesequenties door alanine - een ander aminozuur - in het eiwit de protongeleidbaarheid verminderde, wat verklaarde waarom zijde - een vergelijkbaar tandemherhalingseiwit - geen goede protongeleider is.

Kijkend naar de synthetische inktvis-ring-tanden geïnspireerde eiwitten, de onderzoekers realiseerden zich dat ze meestal zijn samengesteld uit een amorfe sectie en een kristallijne sectie. Ze ontdekten dat het uitrekken van het polymeer de geleidbaarheid in de richting van het uitrekken verhoogde, maar niet in de loodrechte richting, en dat uitrekken de kristallijne segmenten opnieuw uitlijnde om beter te geleiden.

Biologische protongeleiders bestaan ​​in de natuur, inclusief zijde, keratine, collageen, melanine en runderserumalbumine; echter, het synthetische op inktvis-ringtanden geïnspireerde materiaal presteerde veel beter dan alle natuurlijke eiwitten.

"Ons doel is om de ontwerpregels van biologische protonengeleiders te begrijpen, zodat we een synthetisch eiwit kunnen maken dat zo goed is als een niet-biocompatibele protonengeleider, "zei Demirel. "Toen, kunnen we een zelfgenezing maken, flexibele pacemaker van dit type apparaat? Kunnen we protonische bio-elektronische apparaten maken?"