Een nieuwe studie onder leiding van nanotechnologie- en biotechnologie-experts van het Rensselaer Polytechnic Institute geeft belangrijke details over hoe eiwitten in ons lichaam interageren met nanomaterialen. In hun nieuwe studie gepubliceerd in de 2 februari online editie van het tijdschrift Nano-brieven, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe tool om de oriëntatie van eiwitten op verschillende nanostructuren te bepalen. De ontdekking is een belangrijke stap in de poging om de oriëntatie te controleren, structuur, en functie van eiwitten in het lichaam met behulp van nanomaterialen.

"Daten, er is heel weinig bekend over de interactie van eiwitten met een oppervlak op nanoschaal, " zei Jonathan Dordick, directeur van het Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies in Rensselaer (CBIS), de Howard P. Isermann '42 hoogleraar chemische en biologische technologie, en co-corresponderende auteur van de studie. "Met een beter begrip van hoe een eiwit interageert met een oppervlak, we kunnen op maat gemaakte oppervlakken op nanoschaal ontwikkelen en eiwitten ontwerpen die een verscheidenheid aan verbazingwekkende taken in het menselijk lichaam kunnen uitvoeren."

Onderzoekers proberen nanotechnologie te gebruiken in een verscheidenheid aan biologische en medische toepassingen, variërend van biosensoren die kanker in het lichaam kunnen detecteren tot steigers die helpen bij de groei van nieuwe weefsels en organen, volgens de onderzoekers. Dergelijke technologieën omvatten de interactie tussen biologische cellen en niet-biologische materialen op nanoschaal. Deze interacties worden gedeeltelijk gecontroleerd door eiwitten op het grensvlak tussen de twee materialen. Op zo'n minuscuul niveau, de kleinste verandering in de structuur van een materiaal kan de betrokken eiwitten enorm veranderen en zo veranderen hoe de cellen van het menselijk lichaam reageren op het nanomateriaal. In feite, eiwitten behoren tot de meest complexe (en wispelturige) moleculen in ons lichaam, hun oriëntatie of structuur snel veranderen en dus hun vermogen om te interageren met andere moleculen. Het beheersen van hun oriëntatie en structuur door hun interacties met nanomaterialen is essentieel voor hun betrouwbaar en veilig gebruik in nieuwe biotechnologieën, volgens Dordick.

"We hebben het afgelopen decennium geleerd om nanomaterialen te maken met een grote verscheidenheid aan gecontroleerde structuren, en we hebben ontdekt en begonnen te leren hoe deze structuren een positieve invloed kunnen hebben op cellulaire activiteit, " zei Richard Siegel, de Robert W. Hunt Professor of Materials Science and Engineering aan Rensselaer, directeur van het Rensselaer Nanotechnology Center, en co-corresponderende auteur van het onderzoek. "Door meer te leren over de rol van de nanostructuur-eiwitinteracties die deze impact veroorzaken, we zullen in de toekomst in staat zijn deze kennis aan te wenden ten behoeve van de samenleving door middel van verbeterde gezondheidszorg. Naast een betere gezondheidszorg, dit werk zal ook helpen bij de vervaardiging van een breed scala aan nieuwe hiërarchische composietmaterialen - op basis van synthetische polymeren, biomoleculen, en nanostructuren -- dat zal een revolutie teweegbrengen in ons vermogen om veel kritieke problemen op te lossen waarmee de samenleving wereldwijd wordt geconfronteerd."

Wat de onderzoekers in deze en hun eerdere studies vonden, was dat de grootte en kromming van het nano-oppervlak de manier waarop eiwitten zich op de oppervlakken oriënteerden en hun structuur veranderden, sterk veranderde. en dit beïnvloedde de eiwitstabiliteit. Ze ontdekten dat nanostructuren met kleinere en meer gebogen oppervlakken de voorkeur gaven aan eiwitoriëntaties die resulteerden in stabielere eiwitten dan structuren met grotere, meer platte oppervlakken.

Om tot deze conclusies te komen, de onderzoekers onderzochten verschillende goed bestudeerde eiwitten, inclusief cytochroom c, RNase A, en lysozyme en volgden hun adsorptie op silica-nanodeeltjes van verschillende grootte. In dit nieuwste werk ze wijzigden de geadsorbeerde eiwitten chemisch om chemische "tags" te vormen die de onderzoekers belangrijke informatie gaven over hoe de eiwitten op verschillende silica-oppervlakken werden geadsorbeerd. Toen de nanomaterialen en eiwitten werden bestudeerd met behulp van massaspectrometrie, de tags leverden waardevolle nieuwe informatie over de oppervlakteoriëntatie van de eiwitten. Massaspectrometrie analyseert de massaverdeling van een materiaal om de elementaire samenstelling en structurele kenmerken te bepalen, en was erg gevoelig voor de chemische tags die aan de eiwitten werden toegevoegd.