I ett genombrott som kan leda till en ny klass av material med funktioner som bara finns i levande system, forskare vid University of California, Berkeley, har kommit på ett sätt att hålla vissa proteiner aktiva utanför cellen. Forskarna använde denna teknik för att skapa mattor som kan suga upp och fånga kemiska föroreningar.

Trots år av ansträngningar för att stabilisera proteiner utanför deras inhemska miljöer, forskare har gjort begränsade framsteg när det gäller att kombinera proteiner med syntetiska komponenter utan att kompromissa med proteinaktiviteten. Den nya studien visar en väg mot att utnyttja kraften hos proteiner utanför cellen genom att demonstrera ett unikt sätt att hålla proteiner aktiva i syntetiska miljöer. Materialen som presenteras i studien kunde möjliggöra biokemiska reaktioner på begäran där de en gång inte var genomförbara.

"Vi tror att vi har knäckt koden för gränssnitt mellan naturliga och syntetiska system, " sa studieförfattaren Ting Xu, en Berkeley-professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik och institutionen för kemi, vars labb ledde arbetet.

Studien kommer att publiceras i numret av tidskriften den 16 mars Vetenskap . Forskningen stöddes av anslag från det amerikanska försvarsdepartementet. Samarbetspartners vid Northwestern University fick stöd av Department of Energy och Sherman Fairchild Foundation. Samarbetspartners vid universitetet i Lyon och Air Force Laboratory fick stöd från Fulbright-programmet och Miller-institutet.

Problemet med proteiner är att de är petiga. Ta bort dem från deras ursprungliga miljöer och de kommer sannolikt att falla isär. För att fungera korrekt, proteiner måste vikas till en specifik struktur, ofta med hjälp av andra proteiner. För att övervinna denna utmaning, Xus labb analyserade trender i proteinsekvenser och ytor för att se om de kunde utveckla en syntetisk polymer som ger alla de saker som ett protein skulle behöva för att behålla sin struktur och funktion.

"Proteiner har ett mycket väldefinierat statistiskt mönster, så om du kan härma det mönstret, då kan du gifta dig med de syntetiska och naturliga systemen, som gör att vi kan tillverka dessa material, " sa Xu.

Xus labb skapade sedan slumpmässiga heteropolymerer, som de kallar RHPs. RHP består av fyra typer av monomersubenheter, var och en med kemiska egenskaper utformade för att interagera med kemiska fläckar på ytan av proteiner av intresse. Monomererna är anslutna för att efterlikna ett naturligt protein för att maximera flexibiliteten i deras interaktioner med proteinytor. RHP fungerar som ostrukturerade proteiner, vanligen ses inuti celler. De ökade membranproteinveckningen i vatten under proteintranslation och bevarade vattenlöslig proteinaktivitet i organiska lösningsmedel.

Forskarna vid Northwestern University körde omfattande molekylära simuleringar för att visa att RHP skulle interagera positivt med proteinytor, vira runt proteinytor i organiska lösningsmedel och svagt i vatten, leder till korrekt proteinveckning och stabilitet i en icke-inhemsk miljö.

Forskarna testade sedan om de kan använda en RHP för att skapa proteinbaserade material för bioremediering av giftiga kemikalier, vilket de finansierades för att göra av försvarsdepartementet. Forskarna blandade RHP med ett protein som kallas organofosforhydrolas (OPH), som bryter ned de giftiga organofosfater som finns i insekticider och kemiska krigföringsmedel.

Forskarna använde RHP/OPH-kombinationen för att göra fibermattor, nedsänkte mattorna i ett välkänt insektsmedel och fann att mattorna bröt ner en mängd insektsmedel som vägde ungefär en tiondel av den totala fibermattan på bara några minuter. Detta öppnar dörren till skapandet av större mattor som kan suga upp giftiga kemikalier på platser som krigsområden.

"Vår studie indikerade att tillvägagångssättet borde kunna tillämpas på andra enzymer, ", sa Xu. "Detta kan göra det möjligt att ha ett bärbart kemilab i olika material."