Biomedische ingenieurs van Duke University hebben aangetoond dat ze stabiele materialen kunnen maken van gemanipuleerde ongeordende eiwitten door de omgevingstriggers te veranderen die ervoor zorgen dat ze faseovergangen ondergaan.

Deze ontdekking werpt een licht op voorheen onontgonnen gedrag van ongeordende eiwitten en stelt onderzoekers in staat om nieuwe materialen te creëren voor toepassingen bij medicijnafgifte, weefsel engineering, regeneratieve geneeskunde en biotechnologie.

Het onderzoek verscheen online op 18 oktober in wetenschappelijke vooruitgang .

Eiwitten functioneren door te vouwen in 3D-vormen die interageren met verschillende biomoleculaire structuren. Onderzoekers geloofden eerder dat eiwitten zich in een specifieke vaste vorm moesten vouwen om te kunnen functioneren, maar in de laatste twee decennia, ingenieurs die nieuwe materialen voor biomedische toepassingen willen maken, hebben hun aandacht gericht op intrinsiek ongeordende eiwitten, ontheemden genoemd, die dynamisch verschuiven tussen een breed scala aan structuren.

IDP's zijn vooral nuttig voor biomedische doeleinden omdat ze fase-overgangen kunnen ondergaan - van een vloeistof naar een gel, bijvoorbeeld, of een oplosbare tot een onoplosbare toestand, en weer terug –– als reactie op omgevingsfactoren, zoals veranderingen in temperatuur. Dit vermogen heeft IDP's tot een hulpmiddel bij het toedienen van medicijnen op de lange termijn gemaakt, omdat IDP's in vloeibare vorm in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd en vervolgens kunnen stollen in een geldepot dat langzaam medicatie afgeeft.

Maar hoewel hun flexibele structuur IDP's bruikbaar maakt in een verscheidenheid aan toepassingen, onderzoekers dachten eerder dat deze flexibiliteit de stabiliteit van de resulterende materialen beperkte.

In hun recente krant Ashutosh Chilkoti, de voorzitter van Duke Biomedical Engineering, en Felipe García Quiroz, een doctoraat afgestudeerd aan het Chilkoti Lab, een postdoctoraal onderzoeker aan de Rockefeller University, laten zien dat ze de stabiliteit van op IDP gebaseerde materialen nauwkeurig kunnen afstemmen door te bepalen hoe snel IDP's associëren en dissociëren in reactie op omgevingssignalen.

"In tegenstelling tot goed gevouwen eiwitten, conventionele ontheemden hebben het moeilijk om verschillende delen van hun structuren van elkaar af te schermen, Quiroz zei. "Dus naarmate IDP's overvloediger worden in een oplossing, beginnen ze regelmatig te botsen en botsen, met sommige van hun blootgestelde structuren die zwak aan elkaar kleven en snel uit elkaar vallen."

Als de snelheid van associatie en dissociatie gelijk is, de IDP is in evenwicht en ondergaat geen gedragsverandering. Maar als er iets in de omgeving verandert, zoals temperatuur, dan blijven segmenten van de ontheemden voor langere tijd aan elkaar plakken, en ze breken met minder frequentie uit elkaar, wat resulteert in een faseovergang van een oplosbare naar een onoplosbare toestand die kan worden gebruikt om materialen te bouwen.

Na het verwijderen van de omgevingsstimulus, echter, conventionele ontheemden vertonen weer zeer zwakke associaties, en de eerder geassembleerde materialen vallen uit elkaar.

In hun nieuwe werk Chilkoti en Quiroz hebben materialen gemaakt met behulp van nieuw ontworpen IDP's die van fase veranderen bij verschillende temperaturen, en toonde aan dat bij fasescheiding, deze ontheemden worden uit hun gebruikelijke evenwichtsgedrag geslagen. Dit veroorzaakt een proces dat bekend staat als hysterese, waarin ontheemden bij elkaar blijven, zelfs als de omgevingstrigger van de eerste fase-overgang wordt verwijderd.

"Wat opwindend is aan ons nieuwe werk, is dat we hebben aangetoond dat we de mate van hysterese kunnen kiezen om ontwerpen te identificeren waarin deze eiwitten gemakkelijk aan elkaar blijven plakken, en zodra die associaties ontstaan, het wordt erg moeilijk om ze te breken, Quiroz zei. "IDP's worden meestal beschouwd als zwak plakkerig, maar we laten nu zien dat het mogelijk is om super plakkerige IDP's te ontwerpen, die zeer stabiele bouwstenen worden."

"Die superkleverigheid komt pas naar voren nadat we een omgevingstrigger hebben toegepast, zodat ze zich anders gedragen als gewone ontheemden en we ons geen zorgen hoeven te maken over hun plakkerigheid als we ze behandelen, " zei Quiroz. "Vanuit een materiaalperspectief, veel van onze favoriete materialen zijn gemakkelijk te bereiden, maar kan snel rijpen tot een toestand die zeer stabiel en moeilijk te verstoren is. Cement is daar een mooi voorbeeld van."

Door te laten zien dat ze een zeer stabiel materiaal kunnen maken van ontheemden, Quiroz zei, ze konden voortbouwen op eerder werk met ontheemden op gebieden als regeneratieve geneeskunde. Bijvoorbeeld, in hun vloeibare vorm, IDP's kunnen in een wondholte stromen, zijn vorm aannemen en vervolgens in een gel faseren om structurele ondersteuning te bieden en sleutelcellen te rekruteren voor weefselherstel.

Omdat de huidige op IDP gebaseerde materialen niet stabiel zijn, hun effect is van korte duur omdat ze vrij snel eroderen, maar deze nieuwe benadering zou van intern ontheemden een goede bron van nieuwe materialen voor wondgenezing kunnen maken.

"IDP's hebben een aantal bekende kenmerken gehad, en we hebben de afgelopen twee decennia binnen dat bereik van kenmerken gewerkt om mogelijke biomedische toepassingen te verkennen, " zei Quiroz. "Maar nu hebben we in wezen nieuwe tools om mee te spelen, en dat stelt ons in staat creatiever te zijn. Onze ontdekking voegt complexiteit toe aan wat we kunnen doen met op IDP gebaseerde materialen voor toepassingen die materiaalwetenschap en biologie omvatten, dat is spannend."