Это открытие проливает свет на ранее неизведанное поведение неупорядоченных белков и позволяет исследователям создавать новые материалы для применения в доставке лекарств, тканевой инженерии, регенеративной медицине и биотехнологии.
Исследование появилось в сети в октябре. 18 в научных достижениях.
Белки функционируют, складываясь в трехмерные формы, которые взаимодействуют с различными биомолекулярными структурами.
Ранее исследователи полагали, что белки должны складываться в определенную фиксированную форму, чтобы функционировать, но в последние два десятилетия инженеры, стремящиеся создать новые материалы для биомедицинских приложений, обратили свое внимание на внутренне неупорядоченные белки, называемые IDP, которые динамически переключаются между широкий спектр структур.
IDP особенно полезны для биомедицинских целей, потому что они могут претерпевать фазовые переходы – например, переход из жидкости в гель или из растворимого в нерастворимое состояние и обратно – в ответ на триггеры окружающей среды, такие как изменения температуры. Эта способность сделала ВПЛ незаменимым инструментом для долгосрочной доставки лекарств, поскольку ВПЛ можно вводить в жидкой форме в организм, а затем превращать их в гелевое депо, которое медленно высвобождает лекарства.
Но хотя их гибкая структура делает IDP полезными в различных приложениях, исследователи ранее считали, что такая гибкость ограничивает стабильность получаемых материалов.
В своей недавней статье Ашутош Чилкоти, председатель Duke Biomedical Engineering, и Фелипе Гарсия Кирос, доктор философии.D. выпускник лаборатории Чилкоти, который является докторантом в Университете Рокфеллера, продемонстрировал, что они могут точно настроить стабильность материалов на основе ВПЛ, контролируя, насколько быстро ВПЛ объединяются и диссоциируют в ответ на сигналы окружающей среды.
«В отличие от хорошо свернутых белков, обычные IDP с трудом защищают разные части своих структур друг от друга», – сказал Кирос. "По мере того, как ВПЛ становится все больше в растворе, они начинают часто сталкиваться и сталкиваться, при этом некоторые из их открытых структур слабо слипаются и быстро распадаются."
Если скорость ассоциации и диссоциации равна, IDP находится в равновесии и не претерпевает никаких изменений в поведении.
Но если что-то в окружающей среде изменяется, например, температура, то сегменты IDP держатся вместе на более длительные периоды времени и распадаются с меньшей частотой, что приводит к фазовому переходу из растворимого в нерастворимое состояние, которое можно использовать для строительные материалы.
Однако после устранения стимула окружающей среды обычные ВПЛ снова начинают демонстрировать очень слабые ассоциации, и ранее собранные материалы разваливаются.
В своей новой работе Чилкоти и Кироз создали материалы с использованием недавно разработанных IDP, которые изменяют фазу при разных температурах, и продемонстрировали, что при разделении фаз эти IDP выходят из своего обычного равновесного поведения.
Это запускает процесс, известный как гистерезис, в котором IDP будут держаться вместе, даже если триггер окружающей среды начального фазового перехода будет удален.
«Что интересно в нашей новой работе, так это то, что мы показали, что можем регулировать степень гистерезиса, чтобы идентифицировать конструкции, в которых эти белки будут легко склеиваться, и как только эти ассоциации возникают, становится очень трудно их сломать», – сказал Кироз. сказал. "ВПЛ обычно считаются слабо липкими, но теперь мы показываем, что можно создать супер-липкие IDP, которые становятся очень стабильными строительными блоками."
«Эта супер-липкость возникает только после того, как мы применяем триггер окружающей среды, поэтому в остальном они ведут себя как обычные ВПЛ, и нам не нужно беспокоиться об их липкости, когда мы обращаемся с ними», – сказал Кироз. «С точки зрения материалов, многие из наших любимых материалов – это те, которые легко приготовить, но они могут быстро созреть до состояния, которое очень стабильно и трудно разрушить.
Цемент – отличный тому пример."
По словам Кироза, продемонстрировав, что они могут сделать из ВПЛ очень стабильный материал, они могли бы опираться на более раннюю работу с ВПЛ в таких областях, как регенеративная медицина.
Например, в жидкой форме IDP могут течь в полость раны, принимать ее форму, а затем превращаться в гель, чтобы обеспечить структурную поддержку и задействовать ключевые клетки для восстановления тканей.
Поскольку современные материалы на основе IDP не обладают стабильностью, их эффект недолговечен, поскольку они довольно быстро разрушаются, но этот новый подход может сделать IDP хорошим источником новых материалов для заживления ран.
«У ВПЛ есть набор известных характеристик, и мы работали в пределах этого диапазона характеристик, чтобы исследовать потенциальные биомедицинские приложения в течение последних двух десятилетий», – сказал Кирос. "Но теперь у нас, по сути, есть новые инструменты, с которыми можно поиграть, и это позволяет нам проявлять больше творчества. Наше открытие усложняет то, что мы можем делать с материалами на основе IDP для приложений, охватывающих науку о материалах и биологии, что очень интересно."