Udvikling af nye teknikker til at bygge biomaterialer

Forskere ved University of Leeds har udviklet en tilgang, der kan hjælpe med udformningen af ​​en ny generation af syntetiske biomaterialer fremstillet af proteiner.

Biomaterialerne kan i sidste ende have anvendelser inden for ledreparation eller sårheling såvel som andre områder inden for sundhedspleje og fødevareproduktion.

Men en af ​​de grundlæggende udfordringer er at kontrollere og finjustere den måde, proteinbyggesten samles i komplekse proteinnetværk, der danner grundlaget for biomaterialer.

Forskere ved Leeds undersøger, hvordan ændringer i strukturen og mekanikken af ​​individuelle proteinbyggesten - ændringer på nanoskala - kan ændre biomaterialets struktur og mekanik på makroniveau og samtidig bevare proteinnetværkets biologiske funktion.

I en artikel udgivet af det videnskabelige tidsskrift ACS Nano , forskerne rapporterer, at de var i stand til at ændre strukturen af ​​et proteinnetværk ved at fjerne en specifik kemisk binding i proteinbyggestenene. De kaldte disse bindinger for "protein hæfteklammer".

Når proteinhæfterne er fjernet, de enkelte proteinmolekyler udfoldede sig lettere, når de forbinder sig og samles til et netværk. Dette resulterede i et netværk med regioner af foldet protein forbundet af regioner indeholdende det udfoldede protein, hvilket resulterede i meget forskellige mekaniske egenskaber for biomaterialet.

Professor Lorna Dougan, fra School of Physics and Astronomy i Leeds, der overvågede forskningen, sagde:"Proteiner udviser fantastiske funktionelle egenskaber. Vi ønsker at forstå, hvordan vi kan udnytte denne mangfoldige biologiske funktionalitet i materialer, der bruger proteiner som byggesten.

"Men for at gøre det er vi nødt til at forstå, hvordan ændringer på nanoskala, på niveau med individuelle molekyler, ændrer proteinets struktur og adfærd på makroniveau."

Dr. Matt Hughes, også fra School of Physics and Astronomy og hovedforfatter af papiret, sagde:"Kontrol af proteinbyggestenens evne til at udfolde sig ved at fjerne "proteinhæfteklammerne" resulterede i væsentligt forskellige netværksarkitekturer med markant forskellig mekanisk adfærd, og dette viser, at udfoldning af proteinbyggestenen spiller en afgørende rolle i arkitekturen af ​​proteinnetværk og den efterfølgende mekanik."

Forskerne brugte faciliteter på Astbury Center for Structural Molecular Biology og School of Physics and Astronomy i Leeds og ISIS Neutron Muon Source-faciliteten ved STFC Rutherford Appleton Laboratory i Oxfordshire. Brug af neutronstråler, det gjorde det muligt for dem at identificere kritiske ændringer i proteinnetværkets struktur, når nano-hæfteklammerne blev fjernet.

I forbindelse med det eksperimentelle arbejde, Dr. Ben Hanson, en forskningsassistent ved School of Physics and Astronomy i Leeds, modelleret de strukturelle ændringer, der finder sted. Han fandt ud af, at det specifikt var handlingen med protein, der udfoldede sig under netværksdannelse, det var afgørende for at definere netværksarkitekturen for proteinhydrogelerne.

Professor Dougan tilføjede:"Evnen til at ændre egenskaberne i nanoskala af proteinbyggesten, fra en stiv, foldet tilstand til en fleksibel, udfoldet tilstand, giver en kraftfuld vej til at skabe funktionelle biomaterialer med kontrollerbar arkitektur og mekanik."