Forskare från Carnegie Mellon University har utvecklat metoder som påskyndar processen att utveckla kemiskt sammanlänkade syntetiska och biologiska molekyler med mer än 10 gånger under naturliga förhållanden. Resultaten, som förenar biologi och kemi, skulle kunna göra produktionen av biokonjugat för användning i biomedicin, materialvetenskap, och andra områden mer effektiva och kostnadseffektiva.

Biokonjugat bildas när en biologisk molekyl förenas med en annan molekyl med hjälp av kovalenta bindningar. Till exempel, när det gäller biologiska läkemedel, som interferon, läkemedlet är kopplat till polymerer som fungerar som en kappa av nanopansar som skyddar läkemedlet från skada tills det når sitt mål.

Samtidigt som de lovar, att tillverka biokonjugat har varit dyrt, tidskrävande och svår att kontrollera.

Alan Russell, Highmark Distinguished Career Professor, professor i kemiteknik, och chef för Carnegie Mellons Disruptive Health Technology Institute, och Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University professor i naturvetenskap och professor i kemi, har upptäckt hur man kan påskynda processen och utföra kemin i denna process under verkligt naturliga förhållanden. Russell och Matyjaszewski leder Center for Polymer-Based Protein Engineering på Carnegie Mellon.

Biokonjugat tillverkas traditionellt i lösning, och rening efter varje steg kan ta dagar eller veckor. Även i händerna på en skicklig vetenskapsman, det kan ta en vecka att göra några konjugat.

Russell och Matyjaszewski designade om kemin för att tillverka biokonjugat för att avsevärt minska syntes- och reningstiden och gjorde tillvägagångssättet så enkelt att även icke-experter kunde skapa biokonjugat. Arbetet – utfört av ett Carnegie Mellon-team med Russell, Matyjaszewski, doktorand Stefanie Baker, och forskarna Hironobu Murata och Sheiliza Carmali – bygger på en teknik som kallas Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), en ny metod för polymersyntes utvecklad av Matyjaszewskis labb som har revolutionerat sättet att tillverka makromolekyler.

I en tidning publicerad i Naturkommunikation , de introducerade den nya metoden att odla polymerer på proteiner, känd som Protein-ATRP on Reversible Immobilization Support (PARIS). Den använder en "ympa-från"-teknik som utsökt kontrollerar tillväxten av syntetiska molekylära hårstrån från ytan av proteiner. Dessa hårstrån kan bilda en stark nano-pansar som skyddar biomolekylen.

Russell och Matyjaszewski publicerade också nyligen ett stort framsteg när det gäller att skapa biokonjugat med ATRP i Angewandte Chemie International Edition . ATRP är mycket känsligt för atmosfäriskt syre, vilket begränsar dess användning under naturliga förhållanden. Detta papper, medförfattare av postdoktorn Alan Enciso och doktoranden Liye Fu, beskriver en ny metod, känd som "andas ATRP, "det är helt syretolerant.

"Grundidén var inspirerad av klassiska andningscykler som verkar i celler, säger Matyjaszewski, i en artikel för Nature Reviews Chemistry. "Detta är det första exemplet på en helt syretolerant, välkontrollerad ATRP."

Dessa nya metoder för att odla polymerer och pansarproteiner har potential att påverka många aspekter av vårt dagliga liv.

"Många människor använder enzymer i sin vardag, " säger Russell. "Vi använder proteiner och enzymer i tvättmedel, öltillverkning, papperstillverkning, mediciner, och så mycket mer. Vårt arbete är inriktat på att förbättra effekten av dessa proteiner på hela våra liv."

Forskningen publicerad i Naturkommunikation finansierades av Carnegie Mellon University Center for Polymer-Based Protein Engineering.

Forskningen publicerad i Angewandte Chemie finansierades av National Science Foundation (1707490), det mexikanska rådet för vetenskap och teknik och Carnegie Mellon University Center for Polymer-Based Protein Engineering.