En ny studie ledd av nanoteknik- och bioteknikexperter vid Rensselaer Polytechnic Institute ger viktiga detaljer om hur proteiner i våra kroppar interagerar med nanomaterial. I deras nya studie, publicerad i onlineupplagan av tidskriften den 2 februari Nanobokstäver, forskarna utvecklade ett nytt verktyg för att bestämma orienteringen av proteiner på olika nanostrukturer. Upptäckten är ett nyckelsteg i strävan att kontrollera orienteringen, strukturera, och funktion av proteiner i kroppen med hjälp av nanomaterial.
"Hittills, mycket lite är känt om hur proteiner interagerar med en yta på nanoskala, sa Jonathan Dordick, chef för Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies vid Rensselaer (CBIS), Howard P. Isermann '42 professor i kemi och biologisk teknik, och medförfattare till studien. "Med en bättre förståelse för hur ett protein interagerar med en yta, vi kan utveckla anpassade ytor i nanoskala och designa proteiner som kan göra en mängd fantastiska uppgifter i människokroppen."
Forskare försöker använda nanoteknik i en mängd olika biologiska och medicinska tillämpningar, allt från biosensorer som kan upptäcka cancer i kroppen till byggnadsställningar som hjälper till att växa nya vävnader och organ, enligt forskarna. Sådan teknik involverar interaktionen mellan biologiska celler och icke-biologiska nanoskala material. Dessa interaktioner kontrolleras delvis av proteiner vid gränsytan mellan de två materialen. På en så låg nivå, den minsta förändringen i strukturen hos ett material kan avsevärt förändra de involverade proteinerna och därmed förändra hur cellerna i människokroppen reagerar på nanomaterialet. Faktiskt, proteiner är bland de mest komplexa (och ombytliga) molekylerna i våra kroppar, snabbt ändra sin orientering eller struktur och därmed deras förmåga att interagera med andra molekyler. Att kontrollera deras orientering och struktur genom deras interaktioner med nanomaterial är avgörande för att de ska kunna användas pålitligt och säkert i ny bioteknik, enligt Dordick.
"Vi har lärt oss under det senaste decenniet att skapa nanomaterial med en mängd olika kontrollerade strukturer, och vi har upptäckt och börjat lära oss hur dessa strukturer kan påverka cellulär aktivitet positivt, sa Richard Siegel, Robert W. Hunt professor i materialvetenskap och teknik vid Rensselaer, chef för Rensselaer Nanotechnology Center, och motsvarande författare i studien. "Genom att lära sig mer om rollen av de nanostruktur-proteininteraktioner som orsakar denna påverkan, vi kommer i framtiden att kunna utnyttja denna kunskap till samhällets nytta genom förbättrad sjukvård. Förutom förbättrad sjukvård, detta arbete kommer också att bidra till att möjliggöra tillverkning av ett brett utbud av nya hierarkiska kompositmaterial – baserade på syntetiska polymerer, biomolekyler, och nanostrukturer -- som kommer att revolutionera vår förmåga att lösa många kritiska problem som samhället står inför världen över."
Vad forskarna fann i denna och sina tidigare studier var att storleken och krökningen på nanoytan i hög grad förändrade hur proteiner orienterade sig på ytorna och förändrade deras struktur, och detta påverkade proteinstabiliteten. De fann att nanostrukturer med mindre och mer böjda ytor gynnade proteinorientering som resulterade i mer stabila proteiner än strukturer med större, plattare ytor.
För att nå dessa slutsatser, forskarna undersökte flera väl studerade proteiner, inklusive cytokrom c, RNas A, och lysozym och övervakade deras adsorption på nanopartiklar av kiseldioxid i olika storlekar. I detta senaste verk, de modifierade kemiskt de adsorberade proteinerna för att bilda kemiska "taggar" som gav forskarna viktig information om hur proteinerna adsorberades på olika kiseldioxidytor. När nanomaterialen och proteinerna studerades med masspektrometri, taggarna gav värdefull ny information om proteinernas ytorientering. Masspektrometri analyserar massfördelningen av ett material för att bestämma dess elementära sammansättning och strukturella egenskaper, och var mycket känslig för de kemiska taggar som lagts till på proteinerna.
