Een techniek die is ontwikkeld door de universitair hoofddocent scheikunde en biochemie van Miami University, Dominik Konkolewicz en Rick Page, kan helpen bij de snellere en efficiëntere ontwikkeling van nieuwe materialen voor gebruik in farmaceutische producten, biobrandstoffen, en andere toepassingen.

De techniek van Konkolewicz en Page maakt gebruik van nucleaire magnetische resonantie (NMR) technologie om te belichten hoe eiwitten en synthetische polymeren interageren in chemische stoffen die bekend staan ​​als bioconjugaten.

Waarom bioconjugaten nuttig zijn

Eiwitten kunnen worden gebruikt om chemische reacties te katalyseren die in veel toepassingen nuttig zijn. Bijvoorbeeld, eiwitenzymen worden gebruikt om fructose-glucosestroop te produceren en insuline wordt gebruikt om diabetes te behandelen. Maar sommige eiwitten zijn maar heel kort actief of breken gemakkelijk af, dus het is gewoon niet praktisch of kosteneffectief om ze te gebruiken. Eiwitbioconjugaten overwinnen de beperkingen van eiwitten door synthetische moleculen te hechten, vaak polymeren, aan het eiwit.

"Eiwitten hebben fantastische prestaties, "Konkolevicz zegt, "Maar er is niet veel flexibiliteit in de chemie die we in een eiwit kunnen stoppen. Polymeren bieden een enorme diversiteit aan structuur en functie die we kunnen incorporeren om de levensduur van het eiwit te verlengen of het vermogen ervan om extreme omstandigheden te weerstaan ​​te verbeteren."

Er is al enige commerciële ontwikkeling van bioconjugaten, zoals antilichaam-geneesmiddelconjugaten die worden gebruikt om kanker te behandelen, hoewel de richtlijnen voor het verbeteren van de prestaties van deze stoffen ongrijpbaar blijven.

Het ontwikkelen van nieuwe, bruikbare bioconjugaten zijn vaak moeilijk en duur omdat het proces traditioneel gebaseerd is op vallen en opstaan:wetenschappers gooien veel polymeerkandidaten tegen een spreekwoordelijke muur van eiwitten om te zien wat "plakt" in de vorm van verbeterde prestaties. Maar net zoals het geen zin heeft om een ​​tennisbal naar een gebladerde muur te gooien in de verwachting dat hij blijft plakken, het heeft geen zin om bepaalde polymeren naar bepaalde eiwitten te gooien in de verwachting dat ze blijven plakken.

Ontwikkeling versnellen door rationeel ontwerp

We begrijpen de aard van tennisballen en gipsplaat goed genoeg om te weten dat "plakken" geen mogelijk resultaat is van hun interactie, maar Page zegt dat wetenschappers de aard van eiwitten en polymeren niet altijd goed genoeg begrijpen om vergelijkbare voorspellingen te doen als het gaat om bioconjugatie.

"Vaak, we kennen de structuur van het eiwit, maar we kennen de structuur van het polymeer niet. We weten niet welke vorm het is, waar het zich hecht aan het eiwit, of hoe het zich wikkelt of interageert met het eiwit, ' zegt pagina.

Wat is er nodig, Konkolevicz en Page zeggen:is een reeks regels die een rationeel ontwerp van nieuwe bioconjugaten mogelijk maken. Dergelijke regels zouden scheikundigen in staat stellen om naar de structuur van een doeleiwit te kijken en een polymeermolecuul van de juiste grootte te ontwerpen, vorm, en functie om het specifiek te passen.

"Het zou geweldig zijn om te kunnen zeggen, 'Oke, hier is het eiwit dat ik heb. Dit zijn de manieren waarop ik het moet stabiliseren, en hier zijn de soorten polymeren die we daarvoor kunnen gebruiken, ' zegt Pagina.

De techniek die Page en Konkolewicz hebben ontwikkeld, is de eerste stap om het opstellen van zo'n set regels mogelijk te maken.

Terwijl eerdere technieken voor het onderzoeken van interacties tussen eiwitten en polymeren in bioconjugaten vertrouwden, bijvoorbeeld, neutronenbundels - zeer dure apparatuur die beschikbaar is in een beperkt aantal faciliteiten over de hele wereld - de techniek van chemici in Miami maakt gebruik van gemakkelijk beschikbare nucleaire magnetische resonantie (NMR) -technologie. De sleutel tot de techniek is het plaatsen van rapportagegroepen op de synthetische polymeren. Deze rapportagegroepen fungeren als bakens, waardoor onderzoekers kunnen zien hoe dicht een polymeer bij een eiwit is, wanneer het bioconjugaat zich in een NMR-instrument bevindt.

De toegankelijkheid van NMR-technologie is belangrijk omdat het de capaciteit van de onderzoeksgemeenschap om ontdekkingen te doen enorm vergroot.

"We kunnen niet zelf naar elk relevant eiwit kijken, ', zegt Konkolewicz. 'Daarvoor zouden we 500 jaar moeten leven. Door het toegankelijk te maken, we laten andere groepen hun interessante eiwitten onderzoeken - katalytische eiwitten, waar ons lab zich op richt, of therapeutische eiwitten, of welk type ze ook bestuderen. Deze techniek zorgt voor schaal."

Een doorbraak mogelijk gemaakt door de unieke omgeving van Miami

Fundamenteel, De techniek van Konkolewicz en Page stelt chemici van over de hele wereld in staat samen te werken aan het opstellen van een reeks ontwerpregels om een ​​snellere ontwikkeling van bioconjugaten te begeleiden die zowel effectief als betaalbaar zijn voor gebruik in industriële toepassingen, waaronder geneesmiddelen en biobrandstoffen. Dat is een passend resultaat voor een onderzoeksinspanning die zelf uit samenwerking is voortgekomen.

Het is historisch gezien ongebruikelijk dat wetenschappers uit verschillende deelgebieden samenwerken als Konkolewicz, een synthetisch chemicus, en pagina, een biochemicus, hebben. Konkolewicz en Page zeggen dat hun vooruitgang te danken is aan het feit dat Miami University samenwerking bevordert en onderzoek aanmoedigt via een breed scala aan expertise.

"De omgeving die we hier in Miami hebben, en het vermogen en de aanmoediging voor groepen om hier met elkaar samen te werken, heeft ons echt in de juiste omgeving gebracht om met deze baanbrekende techniek te komen, ' zegt pagina.

Een ander aspect van Miami's unieke omgeving is de diepe betrokkenheid van niet-gegradueerde studenten bij onderzoek. Vier niet-gegradueerde studenten van de laboratoria van Konkolewicz en Page werden genoemd als auteurs van een artikel over hun techniek, which was recently published in the open-access flagship Royal Society of Chemistry journal Chemische Wetenschappen .