Silkemikrokokoner kunne bruges i bioteknologi og medicin

Mikroskopiske versioner af kokonerne spundet af silkeorme er blevet fremstillet af et hold forskere. De små kapsler, som er usynlige for det blotte øje, kan beskytte følsomme molekylære materialer, og kunne bevise en betydelig teknologi inden for områder, herunder fødevarevidenskab, bioteknologi og medicin.

Kapslerne blev fremstillet ved University of Cambridge ved hjælp af en specialudviklet mikroingeniørproces. Processen efterligner på mikroskala den måde, hvorpå Bombyx mori silkeorme spinder de kokoner, hvorfra naturlig silke høstes. De resulterende kapsler i mikronskala omfatter en solid og sej skal af silke nanofibriller, der omgiver og beskytter et center af flydende last, og er mere end tusind gange mindre end dem, der er skabt af silkeorme.

Skrivning i journalen Naturkommunikation , holdet foreslår, at disse "mikrokokoner" er en potentiel løsning på et almindeligt teknologisk problem:Hvordan man beskytter følsomme molekyler, der har potentielle sundhedsmæssige eller ernæringsmæssige fordele, men kan let nedbrydes og miste disse gunstige egenskaber under opbevaring eller forarbejdning.

Undersøgelsen argumenterer for, at forsegling af sådanne molekyler i et beskyttende lag af silke kunne være svaret, og at silkemikrokokoner, der er alt for små til at se (eller smage), kunne bruges til at rumme bittesmå partikler af gavnlig molekylær "last" i forskellige produkter, såsom kosmetik og mad.

Den samme teknologi kan også bruges i lægemidler til behandling af en lang række alvorlige og invaliderende sygdomme. I undersøgelsen, forskerne viste med succes, at silkemikrokokoner kan øge stabiliteten og levetiden af ​​et antistof, der virker på et protein, der er involveret i neurodegenerative sygdomme.

Arbejdet blev udført af et internationalt hold af akademikere fra universiteterne i Cambridge, Oxford og Sheffield i Storbritannien; det schweiziske føderale teknologiske institut i Zürich, Schweiz; og Weizmann Institute of Science i Israel. Undersøgelsen blev ledet af professor Tuomas Knowles, en Fellow fra St John's College ved University of Cambridge og meddirektør for Center for Protein Misfolding Diseases.

"Det er et almindeligt problem inden for en række områder af stor praktisk betydning at have aktive molekyler, der besidder gavnlige egenskaber, men som er udfordrende at stabilisere til opbevaring," sagde Knowles. "En begrebsmæssig enkel, men kraftfuld, løsningen er at sætte disse i små kapsler. Sådanne kapsler er typisk lavet af syntetiske polymerer, som kan have en række ulemper, og vi har for nylig udforsket brugen af ​​helt naturlige materialer til dette formål. Der er potentiale for at erstatte plast med bæredygtige biologiske materialer, såsom silke, til dette formål."

Dr. Ulyana Shimanovich, som udførte en stor del af det eksperimentelle arbejde som postdoktoralt forskningsmedarbejder på St John's College, sagde:"Silke er et fantastisk eksempel på et naturligt strukturelt materiale. Men vi var nødt til at overvinde udfordringen med at kontrollere silken i det omfang, vi kunne støbe den til vores design, som er meget mindre end de naturlige silkekokoner."

Dr. Chris Holland, medarbejder og leder af Natural Materials Group i Sheffield tilføjede:"Silke er fantastisk, fordi mens det opbevares som en væske, spinding forvandler det til et fast stof. Dette opnås ved at strække silkeproteinerne, når de flyder ned i et mikroskopisk rør inde i silkeormen."

For at efterligne dette, forskerne skabte en lille, kunstig spindekanal, som kopierer den naturlige spindeproces for at få den uspundne silke til at danne et fast stof. De fandt derefter ud af, hvordan man styrer geometrien af ​​denne selvsamling for at skabe mikroskopiske skaller.

At lave konventionelle syntetiske kapsler kan være udfordrende at opnå på en miljøvenlig måde og af biologisk nedbrydelige og biokompatible materialer. Silke er ikke kun nemmere at fremstille; det er også biologisk nedbrydeligt og kræver mindre energi at fremstille.

"Natursilke bliver allerede brugt i produkter som kirurgiske materialer, så vi ved, at det er sikkert for mennesker, " sagde professor Fritz Vollrath leder af Oxford Silk Group. "Vigtigt, tilgangen ændrer ikke materialet, bare dens form."

Silkemikrokokoner kan også udvide rækkevidden og holdbarheden af ​​proteiner og molekyler, der er tilgængelige til farmaceutisk brug. Fordi teknologien kan bevare antistoffer, som ellers ville forringes, i kokoner med vægge, der kan designes til at opløses over tid, det kunne muliggøre udvikling af nye behandlinger mod kræft, eller neurodegenerative tilstande såsom Alzheimers og Parkinsons sygdom.

For at udforske levedygtigheden af ​​silkemikrokapsler i denne henseende, forskerne testede med succes mikrokokonerne med et antistof, der er udviklet til at virke på alfa-synuclein, det protein, der menes at fungere dårligt i starten af ​​den molekylære proces, der fører til Parkinsons sygdom. Denne undersøgelse blev udført med støtte fra Cambridge Center for Misfolding Diseases, hvis forskningsprogram er fokuseret på at søge efter måder at forebygge og behandle neurodegenerative tilstande som Alzheimers og Parkinsons sygdomme.

"Nogle af de mest effektive og mest solgte lægemidler er antistoffer, " Michele Vendruscolo, meddirektør for Cambridge Center of Misfolding diseases, sagde. "Imidlertid, antistoffer har tendens til at være tilbøjelige til at aggregere ved de høje koncentrationer, der er nødvendige for levering, hvilket betyder, at de ofte afskrives til brug i behandlinger, eller skal være konstrueret til at fremme stabilitet."

"Ved at indeholde sådanne antistoffer i mikrokokoner, som vi gjorde her, vi kunne forlænge betydeligt ikke kun deres levetid, men også rækken af ​​antistoffer til vores rådighed, " sagde Knowles. "Vi er meget begejstrede for mulighederne for at bruge mikrofluidikkens kraft til at generere helt nye typer kunstige materialer fra helt naturlige proteiner."

Studiet, Silkemikrocooons til proteinstabilisering og molekylær indkapsling, er udgivet i Naturkommunikation .