(Phys.org) – Ett protein från koblod har den anmärkningsvärda förmågan att hindra guldnanopartiklar från att klumpa ihop sig i en lösning. Upptäckten kan leda till förbättrade biomedicinska tillämpningar och bidra till projekt som använder nanopartiklar i tuffa miljöer.

Bovint serumalbumin (BSA) bildar ett protein "corona" runt guldnanopartiklar som hindrar dem från att aggregera, särskilt i miljöer med hög salthalt som havsvatten. Den nya forskningen från Rice Universitys labb av kemister Stephan Link och Christy Landes publicerades av tidskriften American Chemical Society ACS Sustainable Chemistry and Engineering .

Links primära intresse är de plasmoniska egenskaperna hos nanopartiklar. Landes arbete innefattar proteinbindning och molekylär transport. BSA-forskningen kombinerar deras unika talanger med Sergio Dominguez-Medinas, en doktorand i Links labb som studerade till fysiker vid Monterrey Tech och drogs till detta tvärvetenskapliga projekt under en grundutbildning på Link's Rice lab.

"Initialt, vi ville titta på nanopartiklar i lösning med något de skulle stöta på ofta i blod:serumalbumin, ", sa Landes. "I våra första experiment, Sergio rapporterade den mycket effektiva, rimligt snabb och irreversibel bindning i det ögonblick han satte nanopartiklar i en lösning som innehöll serumalbumin."

"Det visade sig att saltet faktiskt driver denna bindning, " sa Dominguez-Medina.

Utan BSA, guld nanopartiklar i en saltlösning aggregerar snabbt och faller till botten. "Detta i sig är oönskat för biomedicinska eller industriella tillämpningar, eftersom det kan leda till toxicitetsproblem, " sa han. "Nanopartiklarna blir mer hydrofoba eftersom i närvaro av salter, de överflödiga laddningarna på ytan (som motverkar klumpning) tas faktiskt bort." Men om BSA är närvarande, proteinerna dras till nanopartiklarna snabbare än partiklarna dras till varandra.

"När proteinet är bundet, det ger ett superskydd mot alla typer av salt-inducerad aggregation. Vi tror att detta kan användas för stabilisering av nanopartiklar i miljöer där, just nu, det har inte uppnåtts, " sa Dominguez-Medina.

Han sa att upptäckten också erbjuder möjligheten att nanopartiklar kan göras mer kompatibla för behandling av människor genom att använda en patients eget albumin. "Albumin är verkligen lätt att rena och processen är väletablerad, " han sa.

Guldnanopartiklars förmåga att absorbera och omdirigera ljus är kärnan i flera banbrytande teknologier som utvecklas på Rice och på andra håll. Mest anmärkningsvärt är en nanopartikelbaserad cancerbehandling som nu testas på människor som utvecklades av professor Naomi Halas och tidigare Rice-kollegan Jennifer West, och Halas projekt att omvandla solenergi direkt till ånga för sanitet och vattenrening.

"Det enda sättet som nanopartiklar visar sina riktigt fina optiska egenskaper i mycket specifika optiska frekvenser är om de separeras, " sa Landes.

Eftersom nanopartiklar av rena guld är så hydrofoba, de klumpar sig naturligt i en lösning om de inte är kemiskt behandlade. "Mycket industriell ansträngning går till att hålla saker borta från ytor, som kontaktlinser och fartygsskrov, ", sa hon. "Det innebär att kemiskt förändra ytorna för att förhindra oönskad adsorption, eller när det gäller nanopartiklar, oönskad aggregering."

Att skydda ytan är kostsamt, sa länk. "Men vi fann att vi kunde ta nanopartiklar beredda på det billigaste sättet, med en natriumcitratbeläggning som stabiliserar partiklarna genom elektrostatisk repulsion, och lägg till BSA, som täcker partiklarna och gör dem riktigt stabila."

Albumin är det vanligaste proteinet i blodet, och den bovina versionen delar 98 procent av sin aminosyrasekvens med humant serumalbumin. "Ett av dess huvudsakliga syften, biologiskt, är att ta saker som inte är vattenlösliga, binda till dem och göra dem lösliga, ", sa Landes. "När du kombinerar det med guld nanopartiklar, BSA byter plats med det billiga citratet, vilket inte är ett bra skyddande lager, för att bilda enskiktskorona, som är mycket stark och skyddande."

Havsvatten är själva definitionen av en hård miljö, sa Landes. "Ett av problemen med avsaltningsapplikationer och, liknande, med bränsleceller, är att salthaltiga eller sura förhållanden är mycket frätande, ", sa hon. "Det är därför du måste använda platinaelektroder i bränsleceller – inte för att de är bättre än billigare material vid katalys, utan för att de inte korroderar i en hård miljö." Hon ser lovande för BSA-behandlade guldnanopartiklar i båda applikationerna.

Forskarna tittar nu på hur väl guldnanopartiklar behåller sin albumin-corona vid upprepad användning. "Guld är dyrt, " sa Landes. "Men det fina med det är att om du kan återanvända det, det kostar dig bara en gång."

De vill också använda spektroskopi för att se hur bindningsmekanismen fungerar i realtid, sa länk. "Vi vill studera vad som händer i gränssnittet mellan nanopartiklar och biologiskt relevanta medier" som så småningom kan inkludera DNA, RNA och läkemedel för leverans till celler, han sa.

Link planerar att se hur BSA kan användas i kombination med guld nanorods. Eftersom nanorods plasmoniska egenskaper kan ställas in, "vi kan få in dem i det biologiska fönstret, som är nära infrarött ljus, " sa han. Nära-IR från lasrar används för att aktivera, genom uppvärmning, Halas och Wests cancerdödande nanoskal. Nanorods kan också erbjuda sätt att kombinera BSA och andra användbara proteiner genom att belägga spetsarna och sidorna separat.