Hvordan stabilisering af forstyrrede proteiner kan føre til den næste generation af medicinske applikationer

Biomedicinske ingeniører fra Duke University har vist, at de kan skabe stabile materialer fra manipulerede uordnede proteiner ved at ændre de miljømæssige triggere, der får dem til at gennemgå faseovergange.

Denne opdagelse kaster lys over tidligere uudforsket adfærd af uordnede proteiner og giver forskere mulighed for at skabe nye materialer til anvendelser i lægemiddellevering, vævsteknik, regenerativ medicin og bioteknologi.

Undersøgelsen udkom online den 18. oktober i Videnskabens fremskridt .

Proteiner fungerer ved at folde sig til 3D-former, der interagerer med forskellige biomolekylære strukturer. Forskere troede tidligere, at proteiner skulle foldes til en bestemt fast form for at fungere, men i de sidste to årtier, ingeniører, der søger at skabe nye materialer til biomedicinske anvendelser, har rettet deres opmærksomhed mod iboende forstyrrede proteiner, kaldet internt fordrevne, som dynamisk skifter mellem en bred vifte af strukturer.

IDP'er er især nyttige til biomedicinske formål, fordi de kan gennemgå faseovergange -– skiftende fra en væske til en gel, for eksempel, eller en opløselig til en uopløselig tilstand, og tilbage igen –– som reaktion på miljømæssige triggere, som ændringer i temperatur. Denne evne har gjort internt fordrevne til et go-to-værktøj til langsigtet medicinlevering, da IDP'er kan injiceres i flydende form i kroppen og derefter størkne til et geldepot, der langsomt frigiver medicin.

Men mens deres fleksible struktur gør IDP'er nyttige i en række forskellige applikationer, forskere troede tidligere, at denne fleksibilitet begrænsede stabiliteten af ​​de resulterende materialer.

I deres seneste avis, Ashutosh Chilkoti, formanden for Duke Biomedical Engineering, og Felipe Garcia Quiroz, en ph.d. kandidat fra Chilkoti Lab, som er postdoc ved Rockefeller University, demonstrere, at de præcist kan justere stabiliteten af ​​IDP-baserede materialer ved at kontrollere, hvor hurtigt IDP'er associerer og adskiller sig som reaktion på miljømæssige signaler.

"I modsætning til velfoldede proteiner, konventionelle internt fordrevne har svært ved at skærme forskellige dele af deres strukturer fra hinanden, " sagde Quiroz. "Så efterhånden som internt fordrevne bliver flere i en løsning, begynder de at kollidere og støde ofte, med nogle af deres blottede strukturer, der svagt klæber sammen og hurtigt går i stykker."

Hvis frekvensen af ​​association og dissociation er ens, IDP er i ligevægt, og det undergår ikke nogen adfærdsændring. Men hvis noget i miljøet ændrer sig, såsom temperatur, så hænger dele af internt fordrevne sammen i længere perioder, og de går i stykker med mindre frekvens, resulterer i en faseovergang fra en opløselig til en uopløselig tilstand, der kan udnyttes til byggematerialer.

Ved at fjerne den miljømæssige stimulus, imidlertid, konventionelle internt fordrevne går tilbage til at udvise meget svage associationer, og de tidligere samlede materialer falder fra hinanden.

I deres nye arbejde, Chilkoti og Quiroz skabte materialer ved hjælp af nydesignede IDP'er, der skifter fase ved forskellige temperaturer, og demonstrerede, at ved faseadskillelse, disse internt fordrevne er slået ud af deres sædvanlige ligevægtsadfærd. Dette udløser en proces kendt som hysterese, hvor internt fordrevne vil holde sammen, selvom den miljømæssige udløser af den indledende faseovergang fjernes.

"Det, der er spændende ved vores nye arbejde, er, at vi har vist, at vi kan indstille graden af ​​hysterese for at identificere designs, hvor disse proteiner nemt vil klæbe sammen, og når først disse associationer opstår, det bliver meget svært at bryde dem, Quiroz sagde. "IDP'er anses typisk for at være svagt klæbrige, men vi viser nu, at det er muligt at designe super sticky IDP'er, som bliver meget stabile byggesten."

"Denne super klæbrighed dukker først op, når vi har påført en miljømæssig trigger, så de opfører sig ellers som almindelige internt fordrevne, og vi behøver ikke bekymre os om deres klæbrighed, når vi håndterer dem, " sagde Quiroz. "Fra et materialeperspektiv, mange af vores yndlingsmaterialer er dem, der er nemme at forberede, men kan hurtigt modnes til en tilstand, der er meget stabil og svær at forstyrre. Cement er et godt eksempel på dette."

Ved at vise, at de kunne lave et meget stabilt materiale ud af internt fordrevne, Quiroz sagde, de kunne bygge på tidligere arbejde med internt fordrevne inden for områder som regenerativ medicin. For eksempel, i flydende form, IDP'er kan strømme ind i et sårhulrum, antag dens form og indfase til en gel for at give strukturel støtte og rekruttere nøgleceller til vævsreparation.

Fordi nuværende IDP-baserede materialer mangler stabilitet, deres virkning er kortvarig, da de eroderer ret hurtigt, men denne nye tilgang kunne gøre internt fordrevne til en god kilde til nye materialer til sårheling.

"IDP'er har haft et sæt kendte egenskaber, og vi har arbejdet inden for denne række af karakteristika for at udforske potentielle biomedicinske anvendelser i de sidste to årtier, " sagde Quiroz. "Men nu har vi i det væsentlige nye værktøjer at lege med, og det giver os mulighed for at være mere kreative. Vores opdagelse tilføjer kompleksitet til, hvad vi er i stand til at gøre med IDP-baserede materialer til applikationer, der spænder over materialevidenskab og biologi, hvilket er spændende."