Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben methoden ontwikkeld die het proces van de ontwikkeling van chemisch gekoppelde synthetische en biologische moleculen in natuurlijke omstandigheden meer dan 10 keer versnellen. De bevindingen, die biologie en scheikunde combineren, zou de productie van bioconjugaten voor gebruik in de biogeneeskunde kunnen maken, materiaal kunde, en andere gebieden efficiënter en rendabeler.

Bioconjugaten worden gevormd wanneer een biologisch molecuul wordt verbonden met een ander molecuul met behulp van covalente bindingen. Bijvoorbeeld, in het geval van biologische geneesmiddelen, zoals interferon, het medicijn is verbonden met polymeren die werken als een mantel van nano-pantser die het medicijn beschermt tegen schade totdat het zijn doel bereikt.

Hoewel veelbelovend, het maken van bioconjugaten is duur geweest, tijdrovend en moeilijk te controleren.

Alan Russel, de Highmark Distinguished Career Professor, een professor in de chemische technologie, en directeur van het Disruptive Health Technology Institute van Carnegie Mellon, en Krzysztof Matyjaszewski, de J.C. Warner University Professor of Natural Science en een professor in de chemie, hebben ontdekt hoe ze het proces kunnen versnellen en de chemie van dit proces in echt natuurlijke omstandigheden kunnen uitvoeren. Russell en Matyjaszewski leiden samen het Center for Polymer-Based Protein Engineering bij Carnegie Mellon.

Bioconjugaten worden traditioneel gemaakt in oplossing, en zuivering na elke stap kan dagen of weken duren. Zelfs in de handen van een ervaren wetenschapper, het kan een week duren om een ​​paar conjugaten te maken.

Russell en Matyjaszewski hebben de chemie voor het maken van bioconjugaten opnieuw ontworpen om de synthese en zuiveringstijd aanzienlijk te verkorten en maakten de aanpak zo eenvoudig dat zelfs niet-experts bioconjugaten konden maken. Het werk - uitgevoerd door een Carnegie Mellon-team met Russell, Matyjaszewski, promovendus Stefanie Baker, en onderzoekers Hironobu Murata en Sheiliza Carmali - bouwt voort op een techniek genaamd Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), een nieuwe methode van polymeersynthese ontwikkeld door Matyjaszewski's laboratorium die een revolutie teweeg heeft gebracht in de manier waarop macromoleculen worden gemaakt.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , introduceerden ze de nieuwe methode om polymeren op eiwitten te laten groeien, bekend als Protein-ATRP on Reversible Immobilization Support (PARIS). Het maakt gebruik van een "enting-from"-techniek die de groei van synthetische moleculaire haren van het oppervlak van eiwitten op voortreffelijke wijze regelt. Deze haren kunnen een sterk nano-pantser vormen dat het biomolecuul beschermt.

Russell en Matyjaszewski publiceerden onlangs ook een grote vooruitgang in het maken van bioconjugaten met behulp van ATRP in Internationale editie van Angewandte Chemie . ATRP is zeer gevoelig voor atmosferische zuurstof, die het gebruik ervan in natuurlijke omstandigheden beperkt. Dit papier, co-auteur van postdoctoraal medewerker Alan Enciso en promovendus Liye Fu, schetst een nieuwe methode, bekend als "ademende ATRP, " dat is volledig zuurstoftolerant.

"Het basisidee was geïnspireerd op klassieke ademhalingscycli die in cellen werken, " zegt Matyjaszewski, in een artikel voor Nature Reviews Chemistry. "Dit is het eerste voorbeeld van een volledig zuurstoftolerante, goed gecontroleerde ATRP."

Deze nieuwe methoden voor het kweken van polymeren en beschermende eiwitten hebben het potentieel om veel aspecten van ons dagelijks leven te beïnvloeden.

"Veel mensen gebruiken enzymen in hun dagelijks leven, ", zegt Russell. "We gebruiken eiwitten en enzymen in wasmiddelen, bier productie, papier productie, medicijnen, en zoveel meer. Ons werk is gericht op het verbeteren van de impact die deze eiwitten hebben op ons hele leven."

Het onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie werd gefinancierd door Carnegie Mellon University Center for Polymer-Based Protein Engineering.

Het onderzoek gepubliceerd in Angewandte Chemie werd gefinancierd door de National Science Foundation (17077490), de Mexicaanse Raad voor Wetenschap en Technologie en Carnegie Mellon University Center for Polymer-Based Protein Engineering.