De strukturella egenskaperna hos proteiner som så småningom kan bli viktiga material för tillverkning och medicin avslöjas av en ny optisk teknik som snabbt arbetar för att sortera igenom aminosyrasekvenser även inuti levande bakterier, enligt ett team av ingenjörer.

"Det finns fortfarande ett akut behov av snabba och effektiva tekniker som kan screena egenskaperna hos ett stort antal proteinsekvenser med minimal provvolym eller i levande celler, " rapporterar forskarna online i tidskriften Analytiker .

Naturligt förekommande proteiner som silke, kollagen, ull och andra naturliga fibrer är en industri på 40 miljarder dollar.

"Det finns 30 till 40 naturliga strukturella proteiner som vi känner till, sade Melik C. Demirel, Pierce Development Professor och professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, Penn State. "Silke är mycket starkt, men när den placeras i vatten tappar den sin styrka. Bläckfisk ringtandproteiner har liknande egenskaper, men eftersom de utvecklades i en våt miljö, har inte det problemet."

Att hitta varianter av naturligt förekommande proteiner med specifika egenskaper är bara ett tillvägagångssätt.

"Problemet är när vi tittar på mekaniska egenskaper så finns det ett område där inga naturliga material har dessa egenskaper, " sa Demirel. "Antingen skapade inte naturen proteiner med dessa egenskaper eller så försvann de." Proteinerna som intresserar Demirel och hans team är både naturliga och syntetiska. De är semikristallina och egenskaperna som teamet letar efter kan karakteriseras av deras kristallina strukturera, men den kristallina strukturen förändras när ett material värms upp. Standardflödescytometrilasrar producerar för mycket värme för denna användning.

"Problemet med ljus är att när du lyser det på ett föremål, objektet värms så småningom upp, " sade Demirel. "Om vi ​​försöker mäta kristallinitet, vi måste göra det tillräckligt snabbt så att det inte blir upphettat och ändrar den kristallina strukturen."

Forskarna gör flödescytometri, men använder femto- och pico-second-lasrar för att inspektera proteinerna när de flyter förbi i en fil. De valda proteinerna kan sedan separeras från resten. Lasrarna, cyklar så fort som de gör, värm inte upp proverna snabbt, så att forskare kan söka efter den information de behöver innan provet värms upp och strukturen förändras. De använder en process som kallas tidsdomän termotransmission som möjliggör screening av proteiner på millisekunder och inte dödar levande celler.

Förutom naturligt förekommande proteiner, forskarna tittar på syntetiska proteiner, specifikt anpassade från bläckfisk ringtandproteiner. Bakterier producerar dessa proteinsträngar, så det behövs en icke-dödlig metod för att kategorisera dem. Denna proof-of-concept-forskning visade att denna metod fungerar.

Demirel fick nyligen ett anslag, "Höggenomströmningsscreening av evolutionära biologiska material, " från Defence University Research Instrumentation Program för att skapa en maskin som kan göra detta i större mängder. DURIP-medel kan endast användas för anskaffning av större utrustning för att utöka nuvarande eller för att utveckla ny forskningskapacitet till stöd för relevant forskning från försvarsdepartementet. Bläckfisk ring tänder proteiner, eftersom de fungerar i vatten, kan vara av betydelse i havsmiljön.