Forskare vid University of Leeds har utvecklat ett tillvägagångssätt som kan hjälpa till med utformningen av en ny generation av syntetiska biomaterial gjorda av proteiner.

Biomaterialen kan så småningom ha tillämpningar inom ledreparation eller sårläkning såväl som andra områden inom hälsovård och livsmedelsproduktion.

Men en av de grundläggande utmaningarna är att kontrollera och finjustera hur proteinbyggstenar sätts samman till komplexa proteinnätverk som utgör grunden för biomaterial.

Forskare vid Leeds undersöker hur förändringar i strukturen och mekaniken hos enskilda proteinbyggstenar – förändringar på nanoskala – kan förändra biomaterialets struktur och mekanik på makronivå samtidigt som proteinnätverkets biologiska funktion bevaras.

I en artikel publicerad av den vetenskapliga tidskriften ACS Nano , forskarna rapporterar att de kunde ändra strukturen i ett proteinnätverk genom att ta bort en specifik kemisk bindning i proteinbyggstenarna. De kallade dessa bindningar för "proteinhäften".

Med proteinstaplarna borttagna, de enskilda proteinmolekylerna vecklades ut lättare när de kopplas samman och sätts samman till ett nätverk. Detta resulterade i ett nätverk med regioner av veckat protein sammankopplade av regioner som innehåller det ovikta proteinet, vilket resulterade i mycket olika mekaniska egenskaper för biomaterialet.

Professor Lorna Dougan, från School of Physics and Astronomy i Leeds, som ledde forskningen, sa:"Proteiner uppvisar fantastiska funktionella egenskaper. Vi vill förstå hur vi kan utnyttja denna mångsidiga biologiska funktionalitet i material som använder proteiner som byggstenar.

"Men för att göra det måste vi förstå hur förändringar i nanoskala, på nivån för enskilda molekyler, ändrar strukturen och beteendet hos proteinet på makronivå."

Dr Matt Hughes, också från School of Physics and Astronomy och huvudförfattare till uppsatsen, sade:"Att kontrollera proteinbyggstenens förmåga att vecklas ut genom att ta bort "proteinstaplarna" resulterade i signifikant olika nätverksarkitekturer med markant olika mekaniskt beteende och detta visar att utvecklingen av proteinbyggstenen spelar en avgörande roll i arkitekturen av proteinnätverk och den efterföljande mekaniken."

Forskarna använde anläggningar vid Astbury Center for Structural Molecular Biology och School of Physics and Astronomy i Leeds och ISIS Neutron Muon Source-anläggning vid STFC Rutherford Appleton Laboratory i Oxfordshire. Med hjälp av neutronstrålar, det gjorde det möjligt för dem att identifiera kritiska förändringar i proteinnätverkets struktur när nanostaplarna togs bort.

I samband med det experimentella arbetet, Dr Ben Hanson, en forskarassistent vid School of Physics and Astronomy i Leeds, modellerade de strukturella förändringar som äger rum. Han fann att det specifikt var handlingen av protein som utvecklades under nätverksbildning, det var avgörande för att definiera nätverksarkitekturen för proteinhydrogelerna.

Professor Dougan tillade:"Förmågan att förändra egenskaperna hos proteinbyggstenar i nanoskala, från en stel, vikt tillstånd till ett flexibelt, ovikt tillstånd, ger en kraftfull väg för att skapa funktionella biomaterial med kontrollerbar arkitektur och mekanik."