Ett team av forskare har verifierat att det är möjligt att konstruera tvåskiktiga nanofibrer som består av en ordnad rad av alternerande peptider, och har också bestämt vad som gör att dessa peptider automatiskt sätts samman i detta mönster. Den grundläggande upptäckten väcker möjligheten att skapa skräddarsydda "ABAB"-peptidnanofibrer med en mängd olika biomedicinska tillämpningar.

Peptider är små proteiner, består av korta strängar av aminosyror. Det är väletablerat att peptider kan självmontera till nanofibrer som består av beta-ark. Dock, att självmontering normalt involverar identiska kopior av samma molekyl – molekyl A ansluter till en annan molekyl A.

Det nya arbetet bevisar inte bara att alternerande peptider kan skapa dessa beta-ark – i ett ABAB-mönster – utan varför det händer.

"Vårt team byggde på beräkningssimuleringar, nukleär magnetisk resonans (NMR) observationer och experimentella metoder för detta arbete, och vi vet nu vad som driver skapandet av dessa alternerande peptidstrukturer, säger Carol Hall, motsvarande författare till en artikel om arbetet och Camille Dreyfus Distinguished University Professor of Chemical and Biomolecular Engineering vid North Carolina State University.

"Detta är viktigt eftersom när du väl förstår varför peptider i dessa ABAB-strukturer beter sig på detta sätt, du kan utveckla fler av dem, säger Hall.

För denna studie, forskare arbetade med ett par peptider som heter CATCH(+) och CATCH(-). När det introduceras i en lösning, peptiderna ordnar sig i en rad, alternerande de två peptiderna. Peptiderna samlas också i två beta-sheet-lager per nanofiber.

Själva studien involverade tre komponenter. Greg Hudallas labb vid University of Florida skapade peptiderna, underlättade sammonteringen av peptidbeta-arken och utförde experimentellt arbete som gav en överblick över systemet och dess beteende. Hudalla var medförfattare till uppsatsen och är docent vid UF:s J. Crayton Pruitt Family Department of Biomedical Engineering.

Under tiden, Anant Paravastus team vid Georgia Tech använde solid-state NMR för att mäta de exakta relativa positionerna för atomer och molekyler i ABAB-peptidens beta-ark. Paravastu var medförfattare till uppsatsen och är docent vid Georgia Techs School of Chemical and Biomolecular Engineering.

Slutligen, Halls team vid NC State genomförde beräkningssimuleringar för att fastställa vad som drev beteendet som forskarna vid UF och Georgia Tech såg.

Det verkar finnas flera krafter på spel för att styra sammansättningen av de alternerande peptidstrukturerna. En av de två typerna av peptider är negativt laddade, medan den andra typen är positivt laddad. Eftersom positivt och negativt attraherar varandra, medan peptider med samma laddning stöter bort varandra, detta leder till den alternerande ordningen av peptider i strängen.

En annan aspekt av systemets organisation, staplingen, drivs av typerna av aminosyror i varje peptid. Specifikt, några av aminosyrorna i varje peptid är hydrofoba, medan andra är hydrofila. De hydrofoba aminosyrorna, i själva verket, vill hålla fast vid varandra, vilket resulterar i två-lagers "stacking"-effekt som ses i beta-arken.

"Det är viktigt att olika krafter balanserar för att skapa målstrukturen, " säger Hall. "Om någon av de molekylära krafterna är för stark eller för svag, molekylerna kanske aldrig löser sig i vatten eller kanske misslyckas med att känna igen sina avsedda partner. Snarare än en ordnad nanostruktur, molekylerna kan bilda en oorganiserad röra, eller ingen struktur alls."

"Vi är intresserade av det här eftersom det ger oss en inblick i den grundläggande naturen för hur dessa system kan fungera, " säger Hudalla. "Vi känner inte till några liknande sammonteringssystem i naturen som liknar det system vi har gjort här.

"Sammontering av peptidsystem lovar för biomedicinska tillämpningar eftersom vi kan fästa proteiner till A- eller B-peptiderna som har någon specifik användbarhet. Till exempel, vi skulle kunna skapa en peptidställning som innehåller en regelbunden mängd enzymer, och dessa enzymer kan fungera som katalysatorer för att påverka kroppens kemi i lokala områden."

"De strukturer vi gör här är imponerande, men de är fortfarande inte lika exakta och komplexa som biologiska strukturer som vi ser i naturen, " säger Paravastu. "På samma sätt, vi är inte medvetna om naturliga strukturer som innehåller denna alternerande peptidstruktur. Det här är en bra början. Vi är spända på att se vart det leder."

"Detta arbete skulle inte ha varit möjligt utan att dra nytta av de olika expertområdena i denna forskargrupp, säger Hall.