• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Hur stabiliserande oordnade proteiner kan leda till nästa generations medicinska tillämpningar

    LCST IDPPs uppvisar ett brett spektrum av hysteretiska fasbeteenden. (A) Analys av det reversibla fasens beteende hos LCST IDPPs i vårt bibliotek avslöjade tre grupper av upprepade motiv, varvid motiv i varje grupp kodar för en av tre typer av fasbeteende som kännetecknas av skillnader i graden av termisk hysteres som ses vid kylning under grumlingspunktstemperaturen, allt från (i) försumbar (~0°C) och (ii) måttlig (10° till 30°C) till (iii) stor, miljökänslig hysteres. Här, vi visar temperaturberoende optisk grumlighet över en hel cykel av uppvärmning och kylning passerar Tcp för tre representativa IDPPs som uppvisar hela skalan av observerade hysteretiska beteenden. Som en guide för ögat, varje panel innehåller en förklaring med en kvalitativ indikator på graden av hysteres för varje upprepat motiv. (B) IDPPs gjorda av (VAPVG) upprepningar uppvisar mycket reproducerbara grader av termisk hysteres under flera cykler av fasseparation. (C) Utvidgning av data i (A) undersöker fasbeteendet för (VGAPVG)35 för att visa dess stora, miljökänslig hysteres, eftersom den visar (i separata experiment) stor eller försumbar termisk hysteres beroende på den maximala temperaturen (visad med pilar) som uppnås under uppvärmningsdelen av cykeln. (D) Hysteretisk fasbeteende hos IDPP med ett ökande antal (VAPVG) upprepningar. (E) Analys av IDPPs i (D) men varierande avkylningshastighet (från 1° till 0,1°C/min). För att förbättra datavisualiseringen, motsvarande Tcp vid uppvärmning visas som vertikala streckade linjer. Alla optiska grumlighetsmätningar utfördes vid en fast koncentration av 50 μM i PBS, med uppvärmning och kylning vid 1°C/min, om inget annat anges. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2019). DOI:10.1126/sciadv.aax5177

    Biomedicinska ingenjörer från Duke University har visat att de kan skapa stabila material från konstruerade störda proteiner genom att förändra de miljömässiga triggers som får dem att genomgå fasövergångar.

    Denna upptäckt belyser tidigare outforskade beteenden hos störda proteiner och gör det möjligt för forskare att skapa nya material för tillämpningar inom läkemedelsleverans, vävnadsteknik, regenerativ medicin och bioteknik.

    Forskningen dök upp online den 18 oktober Vetenskapens framsteg .

    Proteiner fungerar genom att vikas till 3D-former som interagerar med olika biomolekylära strukturer. Forskare trodde tidigare att proteiner behövde vikas till en specifik fast form för att fungera, men under de senaste två decennierna, ingenjörer som vill skapa nya material för biomedicinska tillämpningar har riktat sin uppmärksamhet mot i sig störda proteiner, kallas internflyktingar, som dynamiskt skiftar mellan ett brett spektrum av strukturer.

    IDP:er är särskilt användbara för biomedicinska ändamål eftersom de kan genomgå fasövergångar –– byta från en vätska till en gel, till exempel, eller ett lösligt till ett olösligt tillstånd, och tillbaka igen –– som svar på miljöutlösare, som förändringar i temperatur. Denna förmåga har gjort internflyktingar till ett bra verktyg för långvarig drogtillförsel, eftersom IDP:er kan injiceras i flytande form i kroppen och sedan stelna till en geldepå som långsamt släpper ut medicin.

    Men medan deras flexibla struktur gör IDP:er användbara i en mängd olika applikationer, forskare trodde tidigare att denna flexibilitet begränsade stabiliteten hos de resulterande materialen.

    I deras senaste tidning, Ashutosh Chilkoti, ordförande för Duke Biomedical Engineering, och Felipe Garcia Quiroz, en Ph.D. examen från Chilkoti Lab som är postdoktor vid Rockefeller University, visa att de kan justera stabiliteten hos IDP-baserade material genom att kontrollera hur snabbt IDP:er associerar och dissocierar som svar på miljösignaler.

    "Till skillnad från välvikta proteiner, konventionella internflyktingar har svårt att skydda olika delar av sina strukturer från varandra, ", sa Quiroz. "Så när internflyktingar blir fler i en lösning börjar de kollidera och krocka ofta, med några av deras exponerade strukturer som svagt håller ihop och snabbt bryts isär."

    Om graden av association och dissociation är lika, IDP är i jämvikt och den genomgår inte någon beteendeförändring. Men om något i miljön förändras, såsom temperatur, sedan håller delar av internflyktingarna ihop under längre tidsperioder, och de går sönder med mindre frekvens, vilket resulterar i en fasövergång från ett lösligt till ett olösligt tillstånd som kan utnyttjas för att bygga material.

    När man tar bort miljöstimulansen, dock, konventionella internflyktingar går tillbaka till att uppvisa mycket svaga associationer, och de tidigare sammansatta materialen faller isär.

    I deras nya arbete, Chilkoti och Quiroz skapade material med hjälp av nydesignade IDP:er som ändrar fas vid olika temperaturer, och visade att vid fasseparation, dessa internflyktingar slås ut ur sitt vanliga jämviktsbeteende. Detta utlöser en process som kallas hysteres, där internflyktingar kommer att hålla ihop även om miljöutlösaren för den inledande fasövergången tas bort.

    "Det som är spännande med vårt nya arbete är att vi har visat att vi kan ställa in graden av hysteres för att identifiera design där dessa proteiner kommer att hålla ihop lätt, och när de föreningarna väl dyker upp, det blir väldigt svårt att bryta dem, ", sa Quiroz. "IDPs anses vanligtvis vara svagt klibbiga, men vi visar nu att det är möjligt att designa superklibbiga IDP:er, som blir mycket stabila byggstenar."

    "Den där superklibbigheten uppstår först efter att vi tillämpar en miljöutlösare, så de beter sig annars som vanliga internflyktingar och vi behöver inte oroa oss för deras klibbighet när vi hanterar dem, " sa Quiroz. "Ur ett materialperspektiv, många av våra favoritmaterial är de som är lätta att förbereda, men kan snabbt mogna till ett tillstånd som är mycket stabilt och svårt att störa. Cement är ett bra exempel på detta."

    Genom att visa att de kunde göra ett mycket stabilt material av internflyktingar, Quiroz sa, de kunde bygga på tidigare arbete med internflyktingar inom områden som regenerativ medicin. Till exempel, i flytande form, IDPs kan flöda in i en sårhåla, anta dess form och fasas sedan in i en gel för att ge strukturellt stöd och rekrytera nyckelceller för vävnadsreparation.

    Eftersom nuvarande IDP-baserade material saknar stabilitet, deras effekt är kortvarig eftersom de eroderar ganska snabbt, men detta nya tillvägagångssätt kan göra internflyktingar till en bra källa till nytt material för sårläkning.

    "IDPs har haft en uppsättning kända egenskaper, och vi har arbetat inom det området av egenskaper för att utforska potentiella biomedicinska tillämpningar under de senaste två decennierna, " sa Quiroz. "Men nu har vi i princip nya verktyg att leka med, och det gör att vi kan vara mer kreativa. Vår upptäckt lägger till komplexitet till vad vi kan göra med IDP-baserade material för applikationer som spänner över materialvetenskap och biologi, vilket är spännande."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com