Protonen zijn subatomaire deeltjes met een positieve elektrische lading. Protontranslocatie speelt een belangrijke rol in natuurlijke fenomenen en door de mens gemaakte technologieën. Maar het blijft een uitdaging om protongeleiding en fabricage in biomaterialen en apparaten te beheersen. In een nieuw rapport Chao Ma en een interdisciplinair team van wetenschappers in China, Nederland, en Duitsland, rationeel ontworpen protongeleidende eiwitbestanddelen die eerder gerapporteerde eiwitachtige (bestaande uit of bevattende eiwit) systemen overtroffen. Ze ontwikkelden de structuren door stapsgewijze verkenning van peptidesequenties van intrinsiek ongeordende spoelen tot eiwit-supercharged polypeptide-chimaera's. Het nieuwe ontwerpparadigma biedt mogelijkheden voor de fabricage van bioprotonische apparaten op de grensvlakken van kunstmatige en biologische systemen, de resultaten worden gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Protongeleiding is verantwoordelijk voor fundamentele processen in de biologie, inclusief bioluminescentie, de synthese van adenosine 5'-trifosfaat (ATP) en door licht geactiveerde protonentranslocatie. Bio-ingenieurs en materiaalwetenschappers hadden eerder verschillende synthetische materialen ontwikkeld met proton-translocatiegedrag, waaronder hybride systemen, hoewel hun tekortkomingen de gebieden van bio-elektronica en biotechnologie hebben belemmerd. Om biomaterialen te ontwikkelen die speciaal zijn bedoeld voor protonengeleiding, wetenschappers moeten steigers en sequenties onderzoeken voor hun intrinsieke protongeleidende gedrag. Tijdens gehydrateerde toestanden, protonen kunnen via watermoleculen langs een aangrenzend bindingsnetwerk worden getransporteerd in een mechanisme dat bekend staat als protonhoppen, die wordt gebruikt als een blauwdruk om protongeleidende structuren de novo (d.w.z. vanaf nul) te ontwerpen. In dit werk, Ma et al. ontwikkelde een stapsgewijze, op eiwit gebaseerd protongeleidend membraan met een reeks ongevouwen, anionische supercharged polypeptiden (SUP's) die glutaminezuurresiduen bevatten.

In de polypeptideruggengraat van het protongeleidende membraan, de hydrofiele (waterminnende) geladen delen dienden als protondragers. Het team bestudeerde de protongeleidende prestaties van deze ongevouwen systemen om vrijstaande membranen te verkrijgen en perfectioneerde het structurele ontwerp door zijdeachtige β-sheetstructuren samen te voegen met anionische SUP's om zelf-geassembleerde nanostructuren te vormen. Het team verfraaide de oppervlakken met dichte carbonzuurgroepen voor hydratatie, protondissociatie en om protongeleidingsroutes te vormen. Het mechanisch stabiele en vrijstaande membraan overtrof de tot nu toe gerapporteerde transporteigenschappen van op eiwit gebaseerde systemen voor een uitstekende protongeleiding.

Het team heeft de supercharged eiwitten afgeleid van elastine; eerder onderzocht voor toepassingen van eiwit-engineering en interface-modificatie. Ze introduceerden glutaminezuur (afgekort Glu of E), die gemakkelijk kan worden gedeprotoneerd onder fysiologische omstandigheden in de X-plaats van de eiwitsequentie, om ongestructureerde negatief supercharged polypeptiden (SUP-E's) te vormen. Daarna construeerden ze drie verschillende varianten van supercharged polypeptiden, bekend als E72, HC_E35 en DC_E108. Ma et al. gebruikte elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) met gouden interdigitated elektroden (IDE's) om dunne-film protongeleiding en gemeten protonentransport te evalueren als een functie van relatieve vochtigheid. Toen de luchtvochtigheid opliep tot 90 procent, protontranslocatie verbeterde door opname van een groot aantal watermoleculen via de carbonzuur (-COOH) groepen van het materiaal. Naast de relatieve vochtigheid, ze onderzochten ook protongeleiding ten opzichte van ladingsdragerdichtheid voor de van belang zijnde specimens. Door de ladingsdichtheid van de ongeordende eiwitten af ​​te stemmen, Ma et al. succesvol gecontroleerd protongeleidingsgedrag van eiwitten in films. Vanwege de hoge stabiliteit en uniformiteit van de dunne films gemaakt van SUP's, de opstelling vertoonde geen tekenen van gebreken.

Ma et al. bestudeerde vervolgens verder gevouwen eiwitruggen van nanoformaat en voorzag de steigers op nanoschaal van carbonzuur op het oppervlak - vergelijkbaar met SUP's. Met behulp van röntgendiffractie, ze onderzochten structurele informatie in de supercharged eiwitmonsters om verschillende handtekeningen van hun structurele domeinen te verkrijgen, om te laten zien hoe nanogestructureerde componenten protontranslocatie kunnen vergemakkelijken. Het werk stelde het team in staat om rationeel eiwitmotieven te engineeren om protongeleiding uit te voeren. Gemotiveerd door verhoogde protongeleidbaarheid, Ma et al. combineerde de resulterende ontwerpelementen met de bestaande supercharged polypeptide (SUP) structuren.

In plaats van β-barrel-motieven te gebruiken in de materiaalarchitectuur, ze gebruikten de mechanisch stabiele β-sheetstructuren - een reeks verkregen uit spinzijde. Ze noemden het gecombineerde systeem van anionische SUP met β-sheet-sequenties 'spider-E'. The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. Bijvoorbeeld, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

Op deze manier, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future.

© 2020 Wetenschap X Netwerk