Gentagelsesnøgle til selvhelbredelse, fleksibelt medicinsk udstyr

Medicinsk udstyr drevet af syntetiske proteiner skabt af gentagne sekvenser af proteiner kan være muligt, ifølge materialevidenskab og bioteknologiske eksperter, som kiggede på materiale inspireret af proteinerne i blæksprutte-ringtænder.

"Spørgsmålet, vi havde, var, om vi kunne lave fleksible og selvhelbredende medicinske anordninger til at arbejde på protoner, som biologiske systemer gør, " sagde Melik Demirel, Pierce Development Professor og professor i ingeniørvidenskab og mekanik. "Naturen ved, hvordan man overfører protoner, for eksempel ved opladning af biologisk energi kendt som ATP (adenosintrifosfat)."

I øjeblikket, protonoverførsel er en integreret del af brændselsceller, men disse celler bruger ion-overførselsmembraner såsom Nafion, fremstillet af polymerer, der ikke er biokompatible. Fremtidens vision er at have implanterbart medicinsk udstyr, der kan fungere uden batterier, ved hjælp af protonledning, men for at gøre det, protonlederne skal være biokompatible.

Polymerer fremstillet af proteiner inspireret af blæksprutte-ringtænder er ikke kun biokompatible, de er også selvhelbredende, fleksibel og strækbar. Fordi de er biosyntetisk fremstillet ved at vælge DNA-sekvenserne, fremstilling af disse proteiner kan programmeres til at have varierende ledningsevne og fleksibilitet. Så længe et materiale indeholder 60 procent - typisk inde i kroppen - eller mere vand, protonledning kan forekomme.

Desværre, proteinbaserede protonledere er ikke så kraftige eller effektive som polymerledere, så forskerne ledte efter en måde at optimere materialets protonledningsevne. De rapporterer resultaterne af deres arbejde online i Materialernes kemi .

Blæksprutte-ring-tænder proteiner, består af aminosyrer, indeholder mange tandem-gentagelser i deres molekylære sammensætning. Tandemgentagelser er normalt korte serier af molekyler, der er arrangeret til at gentage sig selv et vilkårligt antal gange. Forskerne skabte blæksprutte-inspirerede proteiner med 4, 7, 11 og 25 gentagelser. De lavede derefter film af disse materialer.

Forskerne fandt ud af, at forøgelse af antallet af tandemgentagelser øgede proteinernes protonledningsevne. De prøvede forskellige kombinationer af aminosyrer og fandt ud af, at udskiftning af histidinsekvenser med alanin - en anden aminosyre - i proteinet nedsatte protonledningsevnen, hvilket forklarede, hvorfor silke - et lignende tandemgentagelsesprotein - ikke er en god protonleder.

Ser man på de syntetiske blæksprutte-ring-tænder inspirerede proteiner, forskerne indså, at de sædvanligvis er sammensat af en amorf sektion og en krystallinsk sektion. De fandt ud af, at strækning af polymeren øgede ledningsevnen i strækretningen, men ikke i vinkelret retning, og at strækning genjusterede de krystallinske segmenter for at lede bedre.

Biologiske protonledere findes i naturen, inklusive silke, keratin, kollagen, melanin og bovint serumalbumin; imidlertid, det syntetiske blæksprutte-ring-tænder inspirerede materiale ledede langt bedre end nogen af ​​de naturlige proteiner.

"Vores mål er at forstå designreglerne for biologiske protonledere, så vi kan skabe et syntetisk protein, der er lige så godt som en ikke-biokompatibel protonleder, sagde Demirel. kan vi lave en selvhelbredelse, fleksibel pacemaker fra denne type enhed? Kan vi lave protoniske bioelektroniske enheder?"