Forskere udvikler molekylær kode for melanin-lignende materialer

Forskere har længe vidst, at melanin - de pigmenter, der giver farve til huden, hår og øjne - har adskillige nyttige egenskaber, herunder at yde beskyttelse mod kræftfremkaldende UV-stråling og frie radikaler, men også elektronisk ledningsevne, klæbeevne og evnen til at lagre energi.

For at drage fordel af disse kvaliteter, forskere på tværs af City University of New York (CUNY) har udviklet en ny tilgang til fremstilling af materialer, der ikke kun efterligner melanins egenskaber, men giver også hidtil uset kontrol over udtrykkelse af specifikke egenskaber af biopolymeren, ifølge et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab . Opdagelsen kan muliggøre udviklingen af ​​kosmetiske og biomedicinske produkter.

I modsætning til andre biopolymerer, såsom DNA og proteiner, hvor der er en direkte forbindelse mellem polymerernes ordnede strukturer og deres egenskaber, melanin er i sagens natur forstyrret, så det er ikke muligt at direkte relatere struktur til funktion. Som resultat, forskere har ikke været i stand til fuldt ud at udnytte melanins egenskaber, fordi den laboratoriebaserede syntese af melanin er blevet forpurret af vanskeligheden ved at konstruere dens uordnede molekylære struktur.

"Vi benyttede os af simple versioner af proteiner - tripeptider, bestående af kun tre aminosyrer - for at producere en række molekylære arkitekturer med præcist kontrollerede niveauer af orden og uorden, " sagde ledende forsker Rein V. Ulijn, direktør for Nanoscience Initiative ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved Graduate Center, CUNY. "Vi var forbløffede over at se, at ved oxidation af disse peptidstrukturer, polymere pigmenter med en række farver - fra lys beige til dyb brun - blev dannet."

Efterfølgende, dybdegående karakterisering af tilgangen viste, at yderligere egenskaber, såsom UV-absorbans og nanoskala morfologi af de melanin-lignende materialer, kunne også systematisk kontrolleres af tripeptidets aminosyresekvens.

"Vi fandt ud af, at nøglen til at opnå polymerer med kontrolleret lidelse er at tage udgangspunkt i systemer, der har variabel rækkefølge indbygget, " sagde Ayala Lampel, en postdoc ASRC-forsker og papirets første forfatter. "Først, vi fandt ud af, hvordan aminosyresekvensen af ​​et sæt tripeptider giver anledning til forskelligt ordnede arkitekturer. Næste, vi udnyttede disse ordnede strukturer som skabeloner for katalytisk oxidation for at danne peptidpigmenter med en række egenskaber."

Resultaterne offentliggjort i Videnskab bygge på tidligere forskning udført af Ulijn, som også er Albert Einstein-professor i kemi ved Hunter College og medlem af biokemi- og kemi-doktorgradsfakultetet ved Graduate Center. Hans laboratorium vil nu rette opmærksomheden mod yderligere at afklare de kemiske strukturer, der danner og udvide de resulterende funktionaliteter og egenskaber af de forskellige melaninlignende materialer, de producerer. Forskerne forfølger også kommercialisering af denne nye teknologi, som omfatter kortsigtede muligheder inden for kosmetik og biomedicin.

Christopher J. Bettinger, en forsker fra Carnegie Mellon University, der har specialiseret sig i melaninapplikationer til energilagring, samarbejdet med ASRC-teamet om det aktuelle arbejde. Blandt de fundne materialer, han fandt, at todimensionelle, arklignende polymerer viser betydelig ladningsopbevaringskapacitet. "Udvidelse af sammensætningsparametrene for disse peptider kan øge anvendeligheden af ​​de resulterende pigmenter væsentligt, og denne forskning kan også hjælpe os med bedre at forstå de strukturelle egenskaber og funktioner af naturlige melaniner, " sagde Bettinger.