Miami kemis gennembrudsteknik muliggør design i grænsefladen mellem kemi og biologi

En teknik udviklet af lektorerne i kemi og biokemi ved Miami University, Dominik Konkolewicz og Rick Page, kan hjælpe med at muliggøre en hurtigere og mere effektiv udvikling af nye materialer til brug i lægemidler, biobrændstoffer, og andre applikationer.

Konkolewicz og Sides teknik anvender nuklear magnetisk resonans (NMR) teknologi til at belyse, hvordan proteiner og syntetiske polymerer interagerer i kemiske stoffer kendt som biokonjugater.

Hvorfor biokonjugater er nyttige

Proteiner kan bruges til at katalysere kemiske reaktioner, der er nyttige i mange anvendelser. For eksempel, protein enzymer bruges til at producere majssirup med høj fructose, og insulin bruges til behandling af diabetes. Men nogle proteiner er kun aktive i meget kort tid, eller de nedbrydes let, så det er bare ikke praktisk-eller omkostningseffektivt-at bruge dem. Proteinbiokonjugater overvinder proteiners begrænsninger ved at vedhæfte syntetiske molekyler, ofte polymerer, til proteinet.

"Proteiner har en fantastisk ydeevne, "Konkolewicz siger, "men der er ikke meget fleksibilitet i den kemi, vi kan lægge i et protein. Polymerer tilbyder en enorm mangfoldighed af struktur og funktion, som vi kan inkorporere i for at forlænge proteinets levetid eller forbedre dets evne til at modstå ekstreme forhold."

Der er allerede en vis kommerciel udvikling af biokonjugater, såsom antistof-lægemiddelkonjugater, der bruges til behandling af kræft, selvom retningslinjerne for, hvordan disse stoffers ydeevne kan forbedres, stadig er undvigende.

Udvikler nyt, nyttige biokonjugater er ofte vanskelige og dyre, fordi processen traditionelt er afhængig af forsøg og fejl:forskere kaster mange polymerkandidater mod en ordsprog af proteiner for at se, hvad der "klistrer" i form af forbedret ydeevne. Men ligesom det ikke giver mening at kaste en tennisbold på en Sheetrocked -væg og forvente, at den skal holde fast, det giver ikke mening at kaste bestemte polymerer mod bestemte proteiner og forvente, at de klistrer fast.

Fremskynde udviklingen gennem rationelt design

Vi forstår arten af ​​tennisbolde og gipsvægge godt nok til at vide, at "sticking" ikke er et muligt resultat af deres interaktion, men Page siger, at forskere ikke altid forstår proteiner og polymerers natur godt nok til at kunne lave lignende forudsigelser, når det kommer til biokonjugering.

"I mange tilfælde, vi kender proteinets struktur, men vi kender ikke polymerens struktur. Vi ved ikke, hvilken form det er, hvor det binder sig til proteinet, eller hvordan det ombrydes eller interagerer med proteinet, "Siger Page.

Hvad er nødvendigt, Konkolewicz og Page siger, er et regelsæt, der muliggør rationelt design af nye biokonjugater. Sådanne regler ville give kemikere mulighed for at se på strukturen af ​​et målprotein og designe et polymermolekyle af den rigtige størrelse, form, og funktion til at passe det specifikt.

”Det ville være dejligt at kunne sige, 'Okay, her er det protein, jeg har. Her er de måder, jeg har brug for at stabilisere det, og her er den slags polymerer, vi kan bruge til det, '"Siger side.

Teknikken Page og Konkolewicz har udviklet er det første skridt i at muliggøre etablering af et sådant regelsæt.

Mens tidligere teknikker til undersøgelse af interaktioner mellem proteiner og polymerer i biokonjugater stolede på, for eksempel, neutronstråler - meget dyrt udstyr tilgængeligt på et begrænset antal faciliteter rundt om i verden - Miami -kemikernes teknik anvender let tilgængelig atommagnetisk resonans (NMR) teknologi. Nøglen til teknikken er at placere rapporteringsgrupper på de syntetiske polymerer. Disse rapporteringsgrupper agerer noget som fyrtårne, tillader forskere at se, hvor tæt en polymer er på et protein, når biokonjugatet er i et NMR -instrument.

Tilgængeligheden af ​​NMR -teknologi er vigtig, fordi den øger forskningssamfundets kapacitet til at gøre opdagelser betydeligt.

"Vi kan ikke selv se på alle relevante proteiner, "Siger Konkolewicz." Vi skulle leve i 500 år for at gøre det. Ved at gøre det tilgængeligt, vi tillader andre grupper at undersøge deres proteiner af interesse - katalytiske proteiner, ligesom vores laboratorium fokuserer på, eller terapeutiske proteiner, eller hvilken type de studerer. Denne teknik giver skala. "

Et gennembrud muliggjort af Miamis unikke miljø

Grundlæggende, Konkolewicz og Pages teknik gør det muligt for kemikere fra hele verden at samarbejde om etablering af et sæt designregler for at guide en hurtigere udvikling af biokonjugater, der er både effektive og overkommelige til brug i industrielle applikationer, herunder lægemidler og biobrændstoffer. Det er et passende resultat for en forskningsindsats, der selv er født ud af samarbejde.

Det har historisk set været usædvanligt, at forskere fra forskellige underområder har slået sig sammen som Konkolewicz, en syntetisk kemiker, og side, en biokemiker, har. Konkolewicz og Page siger, at deres forskud skyldes, at Miami University fremmer samarbejde og tilskynder til udforskning på tværs af en bred vifte af ekspertise.

"Det miljø, vi har her i Miami, og evnen og opmuntringen for grupper til at samarbejde med hinanden her, har virkelig sat os i det rigtige miljø til at komme med denne gennembrudsteknik, "Siger Page.

Et andet aspekt af Miamis unikke miljø er den dybe involvering af bachelorstuderende i forskning. Fire bachelorstuderende fra Konkolewicz og Sides laboratorier blev navngivet som forfattere til en artikel, der rapporterede om deres teknik, which was recently published in the open-access flagship Royal Society of Chemistry journal Kemisk videnskab .