Protoner är subatomära partiklar med en positiv elektrisk laddning. Protontranslokation spelar en viktig roll i naturfenomen och konstgjord teknik. Men det är fortfarande utmanande att kontrollera protonledning och tillverkning i biomaterial och enheter. I en ny rapport, Chao Ma och ett tvärvetenskapligt team av forskare i Kina, Nederländerna, och Tyskland, rationellt utformade protonledande proteinbeståndsdelar som översteg tidigare rapporterade proteinhaltiga (bestående av eller innehållande protein) system. De utvecklade strukturerna genom stegvis utforskning av peptidsekvenser från inneboende oordnade spolar till proteinöverladdade polypeptidchimärer. Det nya designparadigmet erbjuder potential för tillverkning av bioprotoniska enheter vid gränssnittet mellan artificiella och biologiska system, resultaten publiceras den Vetenskapliga framsteg .

Protonledning är ansvarig för grundläggande processer inom biologi, inklusive bioluminescens, syntesen av adenosin 5'-trifosfat (ATP) och ljusutlöst protontranslokation. Bioingenjörer och materialforskare hade tidigare utvecklat flera syntetiska material med protontranslokationsbeteende inklusive hybridsystem, även om deras brister har hindrat områdena bioelektronik och bioteknik. Att utveckla biomaterial dedikerade för protonledning, forskare måste utforska byggnadsställningar och sekvenser för deras inneboende protonledande beteende. Under hydratiserade tillstånd, protoner kan transporteras via vattenmolekyler längs ett intilliggande bindningsnät i en mekanism som kallas protonhoppning, som används som en ritning för att utforma protonledande strukturer de novo (dvs från grunden). I det här arbetet, Ma et al. utvecklades stegvis, proteinbaserat protonledande membran med en uppsättning ovikta, anjoniska överladdade polypeptider (SUP) som innehåller glutaminsyrarester.

I polypeptidstommen i det protonledande membranet, de hydrofila (vattenälskande) laddade delarna tjänade som protonbärare. Teamet studerade protonledande prestanda hos dessa utfällda system för att erhålla fristående membran och fulländade den konstruktiva designen genom att slå samman silkesliknande ß-arkstrukturer med anjoniska SUP för att bilda självmonterade nanostrukturer. Teamet dekorerade ytorna med täta karboxylsyragrupper för hydratisering, protondissociation och bilda protonledningsvägar. Det mekaniskt stabila och fristående membranet överträffade hittills rapporterade transportegenskaper för proteinbaserade system för enastående protonkonduktivitet.

Teamet härledde de överladdade proteinerna från elastin; tidigare undersökt för tillämpningar av proteinteknik och gränssnittsmodifiering. De introducerade glutaminsyra (förkortat Glu eller E), som lätt kan deprotoneras under fysiologiska förhållanden till X -stället i proteinsekvensen, att bilda ostrukturerade negativt överladdade polypeptider (SUP-Es). Sedan konstruerade de tre olika varianter av överladdade polypeptider kända som E72, HC_E35 och DC_E108. Ma et al. använde elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) med guld interdigiterade elektroder (IDE) för att utvärdera tunnfilmsprotonledning och uppmätt protontransport som en funktion av relativ fuktighet. När luftfuktigheten ökade till 90 procent, protontranslokation förbättrades på grund av absorption av ett stort antal vattenmolekyler via karboxylsyra (-COOH) grupperna av materialet. Förutom relativ luftfuktighet, de undersökte också protonkonduktion i förhållande till laddningsbärartäthet för exemplar av intresse. Genom att justera laddningstätheten för de störda proteinerna, Ma et al. framgångsrikt kontrollerat protonkonduktansbeteende hos proteiner i filmer. På grund av den höga stabiliteten och enhetligheten hos de tunna filmerna av SUP, installationen visade inga tecken på defekter.

Ma et al. studerade sedan vidare vikta nanosiserade proteinskelett och utrustade de nanoskala ställningarna med karboxylsyra på ytan - liknande SUP. Med röntgendiffraktion, de undersökte strukturell information inuti de överladdade proteinproverna för att få distinkta signaturer av deras strukturella domäner, att visa hur nanostrukturerade komponenter skulle kunna underlätta protontranslokation. Arbetet gjorde det möjligt för teamet att rationellt konstruera proteinmotiv för att utföra protonledning. Motiverad av ökad protonledningsförmåga, Ma et al. kombinerade de resulterande designelementen med de befintliga superladdade polypeptidstrukturerna (SUP).

Istället för att använda β-fatmotiv i materialarkitekturen, they used the mechanically stable β-sheet structures—a sequence obtained from spider silk. They named the combined system of anionic SUP with β-sheet sequences as 'spider-E'. The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. Till exempel, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

På det här sättet, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future.

© 2020 Science X Network