In een doorbraak die zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van materialen met functies die alleen in levende systemen worden gevonden, wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een manier bedacht om bepaalde eiwitten buiten de cel actief te houden. De onderzoekers gebruikten deze technologie om matten te maken die chemische vervuiling kunnen absorberen en vasthouden.

Ondanks jarenlange inspanningen om eiwitten buiten hun natuurlijke omgeving te stabiliseren, wetenschappers hebben beperkte vooruitgang geboekt bij het combineren van eiwitten met synthetische componenten zonder de eiwitactiviteit in gevaar te brengen. De nieuwe studie toont een pad naar het benutten van de kracht van eiwitten buiten de cel door een unieke manier aan te tonen om eiwitten actief te houden in synthetische omgevingen. De materialen die in het onderzoek worden gepresenteerd, kunnen biochemische reacties op aanvraag mogelijk maken waar ze ooit niet haalbaar waren.

"We denken dat we de code hebben gekraakt om natuurlijke en synthetische systemen met elkaar te verbinden, " zei studie auteur Ting Xu, een Berkeley-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering en de afdeling Chemie, wiens lab het werk leidde.

De studie zal worden gepubliceerd in het nummer van 16 maart van het tijdschrift Wetenschap . Het onderzoek werd ondersteund door subsidies van het Amerikaanse ministerie van Defensie. Medewerkers van de Northwestern University werden ondersteund door het Department of Energy en de Sherman Fairchild Foundation. Medewerkers van de Universiteit van Lyon en het Air Force Laboratory kregen steun van het Fulbright-programma en het Miller-instituut.

Het probleem met eiwitten is dat ze kieskeurig zijn. Verwijder ze uit hun oorspronkelijke omgeving en ze zullen waarschijnlijk uit elkaar vallen. Om goed te kunnen functioneren, eiwitten moeten vouwen in een specifieke structuur, vaak met behulp van andere eiwitten. Om deze uitdaging te overwinnen, Xu's lab analyseerde trends in eiwitsequenties en oppervlakken om te zien of ze een synthetisch polymeer konden ontwikkelen dat alle dingen biedt die een eiwit nodig heeft om zijn structuur en functie te behouden.

"Eiwitten hebben een zeer goed gedefinieerd statistisch patroon, dus als je dat patroon kunt nabootsen, dan kun je de synthetische en natuurlijke systemen combineren, waarmee we deze materialen kunnen maken, ' zei Xu.

Xu's lab creëerde vervolgens willekeurige heteropolymeren, die ze RHP's noemen. RHP's zijn samengesteld uit vier soorten monomeersubeenheden, elk met chemische eigenschappen die zijn ontworpen om te interageren met chemische vlekken op het oppervlak van interessante eiwitten. De monomeren zijn verbonden om een ​​natuurlijk eiwit na te bootsen om de flexibiliteit van hun interacties met eiwitoppervlakken te maximaliseren. De RHP's werken als ongestructureerde eiwitten, vaak gezien in cellen. Ze verhoogden de vouwing van membraaneiwit in water tijdens eiwittranslatie en behielden de in water oplosbare eiwitactiviteit in organische oplosmiddelen.

De onderzoekers van de Northwestern University hebben uitgebreide moleculaire simulaties uitgevoerd om aan te tonen dat de RHP gunstig zou interageren met eiwitoppervlakken, wikkel rond eiwitoppervlakken in organische oplosmiddelen en zwak in water, wat leidt tot correcte eiwitvouwing en stabiliteit in een niet-inheemse omgeving.

De onderzoekers testten vervolgens of ze een RHP kunnen gebruiken om op eiwitten gebaseerde materialen te maken voor bioremediatie van giftige chemicaliën, waarvoor ze werden gefinancierd door het ministerie van Defensie. De onderzoekers mengden RHP met een eiwit dat organofosforhydrolase (OPH) wordt genoemd. die de giftige organofosfaten afbreekt die worden aangetroffen in insecticiden en middelen voor chemische oorlogsvoering.

De onderzoekers gebruikten de RHP/OPH-combinatie om vezelmatten te maken, dompelde de matten onder in een bekend insecticide en ontdekte dat de matten in slechts enkele minuten een hoeveelheid insecticide afbraken die ongeveer een tiende van de totale vezelmat woog. Dit opent de deur naar het maken van grotere matten die giftige chemicaliën kunnen opnemen in plaatsen zoals oorlogsgebieden.

"Onze studie gaf aan dat de aanpak van toepassing zou moeten zijn op andere enzymen, "Zei Xu. "Dit kan het mogelijk maken om een ​​draagbaar scheikundelab in verschillende materialen te hebben."