(Phys.org) —Een eiwit uit koeienbloed heeft het opmerkelijke vermogen om te voorkomen dat gouden nanodeeltjes samenklonteren in een oplossing. De ontdekking kan leiden tot verbeterde biomedische toepassingen en bijdragen aan projecten die nanodeeltjes gebruiken in ruwe omgevingen.

Bovine serum albumine (BSA) vormt een eiwit "corona" rond gouden nanodeeltjes waardoor ze niet aggregeren, vooral in zoutrijke omgevingen zoals zeewater. Het nieuwe onderzoek door de laboratoria van de Rice University van chemici Stephan Link en Christy Landes werd gepubliceerd door het tijdschrift American Chemical Society ACS Duurzame Chemie en Engineering .

Link's primaire interesse gaat uit naar de plasmonische eigenschappen van nanodeeltjes. Het werk van Landes omvat eiwitbinding en moleculair transport. Het BSA-onderzoek combineert hun unieke talenten met die van Sergio Dominguez-Medina, een afgestudeerde student in Link's lab die studeerde voor natuurkundige aan Monterrey Tech en werd aangetrokken door dit interdisciplinaire project tijdens een undergraduate fellowship bij Link's Rice lab.

"In eerste instantie we wilden nanodeeltjes in oplossing bekijken met iets dat ze vaak in bloed zouden tegenkomen:serumalbumine, " zei Landes. "In onze eerste experimenten, Sergio meldde de zeer efficiënte, redelijk snelle en onomkeerbare binding op het moment dat hij nanodeeltjes in een oplossing stopte die serumalbumine bevatte."

"Het bleek dat het zout deze binding aanstuurt, ', zei Dominguez-Medina.

Zonder BSA, gouden nanodeeltjes in een zoute oplossing aggregeren snel en vallen naar de bodem. "Dat is op zich onwenselijk voor biomedische of industriële toepassingen, omdat het kan leiden tot toxiciteitsproblemen, " zei hij. "De nanodeeltjes worden meer hydrofoob omdat in de aanwezigheid van zouten, de overtollige ladingen aan het oppervlak (die klonteren ontmoedigen) worden daadwerkelijk verwijderd." Maar als BSA aanwezig is, de eiwitten worden sneller naar de nanodeeltjes getrokken dan de deeltjes naar elkaar.

"Als het eiwit eenmaal gebonden is, het geeft een super bescherming tegen elk type zout-geïnduceerde aggregatie. We denken dat dit kan worden gebruikt voor de stabilisatie van nanodeeltjes in omgevingen waar, direct, het is niet bereikt, ', zei Dominguez-Medina.

Hij zei dat de ontdekking ook de mogelijkheid biedt dat nanodeeltjes compatibeler kunnen worden gemaakt voor de behandeling van mensen door het eigen albumine van een patiënt te gebruiken. "Albumine is heel gemakkelijk te zuiveren en het proces is goed ingeburgerd, " hij zei.

Het vermogen van gouden nanodeeltjes om licht te absorberen en om te leiden, vormt de kern van verschillende baanbrekende technologieën die bij Rice en elders worden ontwikkeld. Het meest opvallend is een op nanodeeltjes gebaseerde kankerbehandeling die nu op mensen wordt getest en die is ontwikkeld door professor Naomi Halas en voormalig Rice-collega Jennifer West, en Halas' project om zonne-energie direct om te zetten in stoom voor sanitatie en waterzuivering.

"De enige manier waarop nanodeeltjes hun echt mooie optische eigenschappen vertonen in zeer specifieke optische frequenties, is als ze worden gescheiden, ' zei Landes.

Omdat puur gouden nanodeeltjes zo hydrofoob zijn, ze klonteren van nature samen in een oplossing, tenzij ze chemisch worden behandeld. "Er wordt veel industriële inspanning gestoken in het weghouden van spullen van oppervlakken, zoals contactlenzen en scheepsrompen, "zei ze. "Dat houdt in dat de oppervlakken chemisch worden gewijzigd om ongewenste adsorptie te voorkomen, of in het geval van nanodeeltjes, ongewenste aggregatie."

Het oppervlak beschermen is kostbaar, zei Link. "Maar we ontdekten dat we nanodeeltjes konden nemen die op de goedkoopste manier waren bereid, met een natriumcitraatcoating die de deeltjes stabiliseert door elektrostatische afstoting, en voeg BSA toe, die de deeltjes omhult en ze echt stabiel maakt."

Albumine is het meest voorkomende eiwit in het bloed, en de runderversie deelt 98 procent van zijn aminozuursequentie met humaan serumalbumine. "Een van de belangrijkste doelen, biologisch, is om dingen te nemen die niet in water oplosbaar zijn, eraan binden en ze oplosbaar maken, "Zei Landes. "Als je het combineert met gouden nanodeeltjes, BSA wisselt van plaats met het goedkope citraat, wat geen goede beschermlaag is, om de monolaag corona te vormen, dat is erg sterk en beschermend."

Zeewater is de definitie van een ruwe omgeving, aldus Landes. "Een van de problemen met ontziltingstoepassingen en, evenzo, met brandstofcellen, is dat zoute of zure omstandigheden zeer corrosief zijn, "zei ze. "Daarom moet je platina-elektroden gebruiken in brandstofcellen - niet omdat ze beter zijn dan goedkopere materialen bij katalyse, maar omdat ze niet corroderen in een ruwe omgeving." Ze ziet belofte voor BSA-behandelde gouden nanodeeltjes in beide toepassingen.

De onderzoekers kijken nu hoe goed gouden nanodeeltjes hun albumine-corona behouden bij herhaald gebruik. "Goud is duur, ' zei Landes. 'Maar het mooie is dat als je het kunt hergebruiken, het kost je maar één keer."

Ze willen ook spectroscopie gebruiken om in realtime te zien hoe het bindingsmechanisme werkt, zei Link. "We willen bestuderen wat er gebeurt op het grensvlak van nanodeeltjes en biologisch relevante media", waaronder mogelijk DNA, RNA en medicijnen voor levering aan cellen, hij zei.

Link plannen om te zien hoe BSA kan worden gebruikt in combinatie met gouden nanostaafjes. Omdat de plasmonische eigenschappen van nanostaafjes kunnen worden afgestemd, "we kunnen ze in het biologische raam krijgen, dat is nabij-infrarood licht, " he said. Near-IR from lasers is used to activate, by heating, Halas' and West's cancer-killing nanoshells. Nanorods may also offer ways to combine BSA and other useful proteins by coating the tips and sides separately.