Medicinsk utrustning som drivs av syntetiska proteiner skapade av upprepade sekvenser av proteiner kan vara möjliga, enligt materialvetenskap och bioteknikexperter, som tittade på material inspirerat av proteinerna i bläckfisk-ringtänder.

"Frågan vi hade var om vi kunde göra flexibla och självläkande medicintekniska produkter för att fungera på protoner på det sätt som biologiska system gör, sa Melik Demirel, Pierce Development Professor och professor i ingenjörsvetenskap och mekanik. "Naturen vet hur man överför protoner, till exempel vid laddning av biologisk energi känd som ATP (adenosintrifosfat)."

För närvarande, protonöverföring är en integrerad del av bränsleceller, men dessa celler använder jonöverföringsmembran som Nafion, tillverkad av polymerer som inte är biokompatibla. Framtidsvisionen är att ha implanterbar medicinsk utrustning som kan fungera utan batterier, med hjälp av protonledning, men för att göra det, protonledarna måste vara biokompatibla.

Polymerer tillverkade av proteiner inspirerade av bläckfiskringtänder är inte bara biokompatibla, de är också självläkande, flexibel och töjbar. Eftersom de är biosyntetiskt tillverkade genom att välja DNA-sekvenser, tillverkning av dessa proteiner kan programmeras att ha varierande konduktivitet och flexibilitet. Så länge ett material innehåller 60 procent – ​​typiskt inuti kroppen – eller mer vatten, protonledning kan förekomma.

Tyvärr, proteinbaserade protonledare är inte lika kraftfulla eller effektiva som polymerledare, så forskarna letade efter ett sätt att optimera materialets protonledningsförmåga. De rapporterar resultatet av sitt arbete online i Materialkemi .

Bläckfisk-ring-tänder proteiner, består av aminosyror, innehåller många tandemupprepningar i sin molekylära sammansättning. Tandemupprepningar är vanligtvis korta serier av molekyler som är arrangerade för att upprepa sig hur många gånger som helst. Forskarna skapade bläckfiskinspirerade proteiner med 4, 7, 11 och 25 repetitioner. De skapade sedan filmer av dessa material.

Forskarna fann att ökningen av antalet tandemupprepningar ökade proteinernas protonledningsförmåga. De provade olika kombinationer av aminosyror och fann att ersättning av histidinsekvenser med alanin - en annan aminosyra - i proteinet minskade protonledningsförmågan, vilket förklarade varför silke - ett liknande tandemupprepningsprotein - inte är en bra protonledare.

Titta på de syntetiska bläckfisk-ring-tänder inspirerade proteinerna, forskarna insåg att de vanligtvis består av en amorf sektion och en kristallin sektion. De fann att sträckning av polymeren ökade konduktiviteten i sträckningsriktningen, men inte i vinkelrät riktning, och att sträckningen återinriktade de kristallina segmenten för att leda bättre.

Biologiska protonledare finns i naturen, inklusive siden, keratin, kollagen, melanin och bovint serumalbumin; dock, det syntetiska bläckfisk-ring-tänder inspirerade materialet ledde mycket bättre än något av de naturliga proteinerna.

"Vårt mål är att förstå designreglerna för biologiska protonledare så att vi kan skapa ett syntetiskt protein som är lika bra som en icke-biokompatibel protonledare, sade Demirel. kan vi göra en självläkning, flexibel pacemaker från denna typ av enhet? Kan vi göra protoniska bioelektroniska enheter?"