En teknik som utvecklats av Miami Universitys docent i kemi och biokemi Dominik Konkolewicz och Rick Page kan hjälpa till att möjliggöra snabbare och effektivare utveckling av nya material för användning i läkemedel, biobränslen, och andra applikationer.

Konkolewicz och Pages teknik använder kärnmagnetisk resonans (NMR)-teknik för att belysa hur proteiner och syntetiska polymerer interagerar i kemiska ämnen som kallas biokonjugat.

Varför biokonjugat är användbara

Proteiner kan användas för att katalysera kemiska reaktioner som är användbara i många tillämpningar. Till exempel, proteinenzymer används för att producera majssirap med hög fruktoshalt och insulin används för att behandla diabetes. Men vissa proteiner är aktiva under en mycket kort tid eller så bryts de ner lätt, så det är helt enkelt inte praktiskt – eller kostnadseffektivt – att använda dem. Proteinbiokonjugat övervinner proteiners begränsningar genom att fästa syntetiska molekyler, ofta polymerer, till proteinet.

"Proteiner har fantastiska prestanda, " Konkolewicz säger, "men det finns inte mycket flexibilitet i kemin vi kan lägga i ett protein. Polymerer erbjuder en enorm mångfald av struktur och funktion som vi kan införliva i för att förlänga proteinets livslängd eller förbättra dess förmåga att motstå extrema förhållanden."

Det finns redan en viss kommersiell utveckling av biokonjugat, såsom antikropps-läkemedelskonjugat som används för att behandla cancer, även om riktlinjerna för hur man kan förbättra prestandan för dessa ämnen fortfarande är svårfångade.

Att utveckla nya, användbara biokonjugat är ofta svårt och dyrt eftersom processen traditionellt bygger på trial and error:forskare kastar många polymerkandidater mot en ökända vägg av proteiner för att se vad som "fastnar" i form av förbättrad prestanda. Men precis som det inte är meningsfullt att kasta en tennisboll mot en vägg med ark och förväntar sig att den ska fastna, det är inte meningsfullt att kasta vissa polymerer på vissa proteiner och förvänta sig att de ska fastna.

Påskynda utvecklingen genom rationell design

Vi förstår naturen hos tennisbollar och gipsskivor tillräckligt bra för att veta att "stickning" inte är ett möjligt resultat av deras interaktion, men Page säger att forskare inte alltid förstår naturen hos proteiner och polymerer tillräckligt bra för att göra liknande förutsägelser när det gäller biokonjugering.

"I många fall, vi känner till proteinets struktur, men vi känner inte till polymerens struktur. Vi vet inte vilken form det är, där det fäster till proteinet, eller hur det sveper sig runt eller interagerar med proteinet, " säger Page.

Vad som behövs, Konkolewicz och Page säger, är en uppsättning regler som skulle möjliggöra rationell design av nya biokonjugat. Sådana regler skulle göra det möjligt för kemister att titta på strukturen av ett målprotein och designa en polymermolekyl av rätt storlek, form, och funktion för att passa den specifikt.

"Det skulle vara fantastiskt att kunna säga, 'Okej, här är proteinet jag har. Här är sätten jag behöver för att stabilisera det, och här är de typer av polymerer vi kan använda för det, '" säger Page.

Tekniken som Page och Konkolewicz har utvecklat är det första steget för att möjliggöra upprättandet av en sådan uppsättning regler.

Medan tidigare tekniker för att undersöka interaktioner mellan proteiner och polymerer i biokonjugat förlitade sig på, till exempel, neutronstrålar - mycket dyr utrustning som finns tillgänglig på ett begränsat antal anläggningar runt om i världen - Miami-kemisternas teknik använder lättillgänglig kärnmagnetisk resonans (NMR)-teknik. Nyckeln till tekniken är att placera rapporteringsgrupper på de syntetiska polymererna. Dessa rapporteringsgrupper agerar ungefär som beacons, gör det möjligt för forskare att se hur nära en polymer är ett protein, när biokonjugatet är i ett NMR-instrument.

Tillgängligheten av NMR-teknik är viktig eftersom den avsevärt ökar forskarsamhällets kapacitet att göra upptäckter.

"Vi kan inte titta på alla relevanta proteiner själva, " Konkolewicz säger. "Vi skulle behöva leva i 500 år för att göra det. Genom att göra det tillgängligt, vi tillåter andra grupper att undersöka sina proteiner av intresse – katalytiska proteiner, som vårt labb fokuserar på, eller terapeutiska proteiner, eller vilken typ de studerar. Denna teknik ger skala."

Ett genombrott möjliggjort av Miamis unika miljö

I grunden Konkolewicz och Pages teknik gör det möjligt för kemister från hela världen att samarbeta för att upprätta en uppsättning designregler för att vägleda snabbare utveckling av biokonjugat som är både effektiva och prisvärda för användning i industriella applikationer, inklusive läkemedel och biobränslen. Det är ett passande resultat för en forskningssatsning som i sig föddes ur samarbete.

Det har varit historiskt ovanligt att forskare från olika delområden går ihop som Konkolewicz, en syntetisk kemist, och sida, en biokemist, ha. Konkolewicz och Page säger att deras framsteg beror på det faktum att Miami University främjar samarbete och uppmuntrar utforskning inom ett brett spektrum av expertis.

"Miljön som vi har här i Miami, och förmågan och uppmuntran för grupper att samarbeta med varandra här, har verkligen satt oss i rätt miljö för att komma på denna banbrytande teknik, " säger Page.

En annan aspekt av Miamis unika miljö är studenternas djupa engagemang i forskning. Fyra studenter från Konkolewiczs och Pages labb utsågs till författare till en artikel som rapporterade om deras teknik, som nyligen publicerades i flaggskeppet Royal Society of Chemistry med öppen tillgång Kemivetenskap .