Design af en fritstående, superladet polypeptid-proton-ledende membran

Protoner er subatomære partikler med en positiv elektrisk ladning. Proton -translokation spiller en væsentlig rolle i naturfænomener og menneskeskabte teknologier. Men det er stadig udfordrende at kontrollere protonledning og fremstilling i biomaterialer og enheder. I en ny rapport, Chao Ma og et tværfagligt team af forskere i Kina, Holland, og Tyskland, rationelt designet protonledende proteinkomponentmaterialer, der oversteg tidligere rapporterede proteinholdige (bestående af eller indeholdende protein) systemer. De udviklede strukturer gennem trinvis udforskning af peptidsekvenser fra iboende uordnede spoler til protein-supercharged polypeptid kimærer. Det nye designparadigme giver potentiale til fremstilling af bioprotonisk udstyr ved grænsefladerne mellem kunstige og biologiske systemer, resultaterne offentliggøres den Videnskab fremskridt .

Protonkonduktion er ansvarlig for grundlæggende processer i biologi, herunder bioluminescens, syntesen af ​​adenosin 5'-trifosfat (ATP) og lysudløst proton-translokation. Bioingeniører og materialeforskere havde tidligere udviklet flere syntetiske materialer med protontranslokationsadfærd, herunder hybridsystemer, selvom deres mangler har hæmmet områderne bioelektronik og bioteknologi. At udvikle biomaterialer dedikeret til protonledning, forskere skal undersøge stilladser og sekvenser for deres iboende protonledende adfærd. Under hydratiserede tilstande, protoner kan transporteres via vandmolekyler langs et tilstødende bindingsnetværk i en mekanisme kendt som protonhopping, som bruges som en blueprint til at designe protonledende strukturer de novo (dvs. fra bunden). I dette arbejde, Ma et al. udviklede sig trinvist, proteinbaseret protonledende membran med et sæt udfoldede, anioniske superladede polypeptider (SUP'er) indeholdende glutaminsyrerester.

I polypeptidryggen i den protonledende membran, de hydrofile (vandelskende) ladede dele fungerede som protonbærere. Teamet studerede den protonledende ydeevne af disse udfoldede systemer for at opnå fritstående membraner og perfektionerede det strukturelle design ved at samle silkelignende β-arkstrukturer med anioniske SUP'er til dannelse af selvsamlede nanostrukturer. Teamet dekorerede overfladerne med tætte carboxylsyregrupper til hydrering, protondissociation og til at danne protonledningsveje. Den mekanisk stabile og fritstående membran overgik hidtil rapporterede transportegenskaber for proteinbaserede systemer for enestående protonkonduktivitet.

Teamet afledte de superladede proteiner fra elastin; tidligere undersøgt for applikationer inden for proteinteknik og grænsefladeændring. De introducerede glutaminsyre (forkortet Glu eller E), som let kan deprotoneres under fysiologiske betingelser til X -stedet i proteinsekvensen, for at danne ustrukturerede negativt superladede polypeptider (SUP-Es). Derefter konstruerede de tre forskellige varianter af superladede polypeptider kendt som E72, HC_E35 og DC_E108. Ma et al. brugte elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) med guldinterdigiterede elektroder (IDE'er) til at evaluere tyndfilms protonledning og målt protontransport som funktion af relativ luftfugtighed. Når luftfugtigheden steg til 90 procent, proton-translokation forbedret på grund af absorption af et stort antal vandmolekyler via carboxylsyre (-COOH) grupper af materialet. Udover relativ luftfugtighed, de undersøgte også protonkonduktion i forhold til ladningsbærerdensitet for prøver af interesse. Ved at indstille ladningstætheden af ​​de uordnede proteiner, Ma et al. vellykket kontrolleret protonkonduktansadfærd af proteiner i film. På grund af den høje stabilitet og ensartethed af de tynde film fremstillet af SUP'er, opsætningen viste ikke tegn på fejl.

Ma et al. undersøgte derefter yderligere foldede nanoserede proteinrygder og udstyrede stilladserne i nanoskala med carboxylsyre på overfladen - svarende til SUP'er. Ved hjælp af røntgendiffraktion, de undersøgte strukturel information inde i de superladede proteinprøver for at opnå tydelige signaturer af deres strukturelle domæner, for at vise, hvordan nanostrukturerede komponenter kunne lette proton -translokation. Arbejdet gav teamet mulighed for rationelt at konstruere proteinmotiver til at udføre protonkonduktion. Motiveret af øget protonkonduktivitet, Ma et al. kombinerede de resulterende designelementer med de eksisterende supercharged polypeptid (SUP) strukturer.

I stedet for at bruge β-tønde motiver i materialearkitekturen, de brugte de mekanisk stabile β-arkstrukturer-en sekvens hentet fra edderkoppesilke. De kaldte det kombinerede system med anionisk SUP med β-ark sekvenser som 'spider-E'. The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. For eksempel, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

På denne måde, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future.

© 2020 Science X Network