En skabelon til silkevækst:Peptider giver kontrol på mange niveauer

Anvendelser af silkefibre har balloneret i de seneste år. Traditionelt attraktivt i tekstiler for sin kompakte styrke og luksuriøse bløde glans, silke har potentielle anvendelser, herunder filtreringsmembraner og belægninger til konservering af fødevarer, substrater til implanterbar elektronik, og højfølsom biosensorer. Disse teknologier udnytter ikke kun de mekaniske egenskaber, men også materialets biokompatibilitet, biologisk nedbrydelighed og iboende fotoniske egenskaber, samt evnen til at klæde overfladen på med optisk aktive stoffer som kvantepunkter. Ingen overraskelse, derefter, at forskere rundt om i verden har været svært ved at producere skræddersyede materialer, der udnytter silkes mange funktionelle egenskaber. Alligevel er der stadig en hage med silkebaserede biomaterialer-at få det rigtige materiale i skalerbare mængder. Nu, forskere ved MIT har demonstreret en måde at skabelonere væksten af ​​silke, der kombinerer molekylær kontrol med skalerbar produktion.

"Vi definerer dybest set en ny regel for at 'dyrke' silkematerialer i bestilte, hierarkiske strukturer, "forklarer Benedetto Marelli, professor ved Massachusetts Institute of Technology i USA, WHO, sammen med ph.d. studerende Hui Sun, udviklet tilgangen.

Den "hierarkiske" organisering af molekylerne og strukturerne i flere længder er nøglen til mange af de egenskaber, der findes i materialer som silke eller knogle. Den måde, molekylerne samles på, den måde, hvorpå hele proteinet folder sig, såvel som de efterfølgende dannede strukturer, alle påvirker materialets egenskaber.

Indtil nu, metoden til fremstilling af silkematerialer har stadig lignet traditionelle metoder. Nogle indebærer at producere en suspension af silkeproteinerne, som er spundet, støbt, trykt eller udsat for fast-gel-fast fase-overgange til dannelse af fibre, film eller blokke. Alternativt kan silkefibrene fjernes til nanofibriller, for eksempel, ved brug af hårde opløsningsmidler eller ultralydsspredning. Denne form for fremstilling er ret almindelig og billig, men giver lidt kontrol over mikrostrukturerne.

"Forskning har for det meste været begrænset til at anvende miljøudløsere såsom forsuring, organiske opløsningsmidler og forskydningskraft under samlingsprocessen med det formål at påvirke de mikrostrukturer, der dannes under fremstilling af fibre og film, "siger Sun. Dog, hun tilføjer, at dette stadig giver meget lidt kontrol over, hvordan proteinerne foldes og den molekylære samling, der begge kritisk bestemmer slutmaterialets egenskaber. Forskere har kun demonstreret kontrol på dette niveau med visse klonede "rekombinante" proteiner eller protein-DNA-hybrider. Imidlertid, at bruge denne form for byggesten er besværlig og ikke egnet til storstilet fremstilling.

Frø en ny tilgang

Med henblik på at finde nye måder at fremstille silkefibroin på, det strukturelle protein i silkefibre, der er ansvarlige for deres mekaniske egenskaber og integritet, Marelli så tilbage på tidligere arbejde med biomineralisering og silkefibroin, da det faldt ham ind at kombinere de to tilgange. "Vores hypotese var, at ved at tilvejebringe et peptid, der allerede er i en ordnet struktur, vi kan muligvis lede foldning og samling af silke omkring dette peptid, "fortæller han til Phys.org." Brug af 'frø' til at kontrollere dannelse af syntetisk polymer er veletableret, hvilket hjalp mig med at forfine ideen. "

For at finde nyttige peptidfrø, Marelli og Sun identificerede en række krav, som rettede deres opmærksomhed mod GAGSGAGAGSGA, et dodecapeptid, der stammer fra de meget gentagne hydrofobe domæner, der findes i en stor underenhed af silkefibroinen. GAGSGAGAGSGA danner nanowhisker-lignende strukturer med stærkt ordnede β-arkmolekylære konformationer. Ud over at udstille en veldefineret morfologi, peptiderne er korte nok til, at anvendelse af industrielle kemiske processer giver acceptabelt udbytte uden at ty til syntetiske biologimetoder.

Marelli og Sun fandt ud af, at under vandbaserede forhold, ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, GAGSGAGAGSGA nanowhiskers skabelonerede det uordnede silkefibroin til at folde sig i β-tråde og vokse til β-arkede nanofibriller. Ud over, ved at justere koncentrationen af ​​peptidfrøene og silkefibroin, og molekylvægten af ​​silkefibroin og pH, de kunne få spor om mekanismen bag den skabelonede vækst og yderligere finjustere processen.

Næste, forskerne demonstrerede skabelonvækst med et alternativt peptid, der findes i silkeproteinet i den europæiske honningbi, som danner mindre regelmæssigt definerede nano-samlinger af en kombination af β-ark og α-helix-konformationer. De observerede virkningen på intermolekylært arrangement, og dermed, de mekaniske og optiske egenskaber af de resulterende materialer ved podning med de forskellige peptider. De var også i stand til at demonstrere anvendeligheden af ​​nanofabrikationsteknikker til at deponere lag af skabeloniseret silkemateriale og til at printe suspensioner af de podede fibroiner i brugerdefinerede strukturer.

En skabelon til fremtidigt arbejde

Blandt de potentielle applikationer viser Marelli:patogene sensorer, der kan udskrives, med egenskaber, der kan bruges til at opdage, når mad ødelægges med øget følsomhed som følge af de øgede overflade / volumenforhold, opdelte enheder, der indkapsler enzymer til forbedrede katalytiske reaktioner, filtreringsmembraner til selektiv massetransport, kompleks overfladefunktionalisering med kontrastoverfladekemi, stedsspecifikke krystalliserede silkefilm med programmeret nedbrydningsevne, og informationslagring og kryptering.

Marelli og Sun bruger nu arkitekturer fundet i biologiske væv såsom sommerfuglvinger, knogler og sener som inspirationskilde til fremtidige undersøgelser. "I tilfælde af sener, dette er et væv lavet af hierarkisk strukturerede type I kollagenmolekyler, der er organiseret på tværs af flere skalaer fra molekylær til centimeter, "Marelli forklarer, fremhæver, hvordan dette kan give en særlig bred vifte af funktioner i et enkelt materialeformat, herunder forbedrede mekaniske egenskaber.

Replikering af de hierarkiske strukturer, der findes i sommerfuglvinger, kan også føre til nyttige materialer til begroning og forøget varmeafledning. "Det er svært at gengive disse arkitekturer med nuværende nanofabrikationsteknikker baseret på bottom-up (dvs. samling) nærmer sig, "tilføjer han." Vores fremtidige interesser vil så være at bruge skabeloniseret krystallisering til at muliggøre fremstilling af mesostrukturerede materialer med sådanne egenskaber. "

Fuldstændige detaljer er rapporteret i Naturkommunikation

© 2020 Science X Network