Forskare har länge känt till att melanin - pigmenten som ger färg till huden, hår och ögon - har många användbara egenskaper, inklusive att ge skydd mot cancerframkallande UV-strålning och fria radikaler, men också elektronisk konduktans, vidhäftningsförmåga och förmåga att lagra energi.

För att dra nytta av dessa egenskaper, forskare från City University of New York (CUNY) har utvecklat en ny metod för att producera material som inte bara efterliknar egenskaperna hos melanin, men ger också oöverträffad kontroll över att uttrycka specifika egenskaper hos biopolymeren, enligt en tidning som publicerades idag i tidskriften Vetenskap . Upptäckten kan möjliggöra utvecklingen av kosmetiska och biomedicinska produkter.

Till skillnad från andra biopolymerer, som DNA och proteiner, där det finns en direkt koppling mellan polymerernas ordnade strukturer och deras egenskaper, melanin är i sig stört, så att direkt relatera struktur till funktion är inte möjligt. Som ett resultat, forskare har inte kunnat utnyttja melanins egenskaper fullt ut eftersom den laboratoriebaserade syntesen av melanin har motverkats av svårigheten att konstruera dess oordnade molekylstruktur.

"Vi drog fördel av enkla versioner av proteiner - tripeptider, som består av bara tre aminosyror - för att producera en rad molekylära arkitekturer med exakt kontrollerade nivåer av ordning och oordning, " sa ledande forskare Rein V. Ulijn, chef för Nanoscience Initiative vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center, KULIG. "Vi blev förvånade över att se att vid oxidation av dessa peptidstrukturer, polymera pigment med en rad färger - från ljusbeige till djupt brunt - bildades."

Senare, djupgående karakterisering av tillvägagångssättet visade att ytterligare egenskaper, såsom UV-absorbans och morfologi i nanoskala för de melaninliknande materialen, kan också systematiskt kontrolleras av tripeptidens aminosyrasekvens.

"Vi fann att nyckeln till att uppnå polymerer med kontrollerad störning är att utgå från system som har variabel ordning inbyggd, sa Ayala Lampel, en postdoktoral ASRC-forskare och tidningens första författare. "Först, vi kom på hur aminosyrasekvensen för en uppsättning tripeptider ger upphov till olika ordnade arkitekturer. Nästa, vi utnyttjade dessa ordnade strukturer som mallar för katalytisk oxidation för att bilda peptidpigment med en rad egenskaper."

Fynden publicerade i Vetenskap bygga på tidigare forskning utförd av Ulijn, som också är Albert Einstein-professor i kemi vid Hunter College och medlem av doktorandfakulteten för biokemi och kemi vid Graduate Center. Hans labb kommer nu att vända sin uppmärksamhet till att ytterligare klargöra de kemiska strukturerna som bildar och utöka de resulterande funktionerna och egenskaperna hos de olika melaninliknande material de producerar. Forskarna strävar också efter kommersialisering av denna nya teknik, som inkluderar kortsiktiga möjligheter inom kosmetika och biomedicin.

Christopher J. Bettinger, en forskare från Carnegie Mellon University som är specialiserad på melanintillämpningar vid energilagring, samarbetade med ASRC-teamet i det pågående arbetet. Bland de material som upptäckts, han fann att tvådimensionell, arkliknande polymerer visar betydande laddningslagringskapacitet. "Att utöka sammansättningsparametrarna för dessa peptider kan avsevärt öka användbarheten av de resulterande pigmenten, och denna forskning kan också hjälpa oss att bättre förstå de strukturella egenskaperna och funktionerna hos naturliga melaniner, sa Bettinger.