Självsammansättande molekyler som spontant organiserar sig för att bilda komplexa strukturer är vanliga i naturen. Till exempel är det tuffa yttre lagret av insekter, som kallas nagelbandet, rikt på proteiner som kan självmontera.
Självmontering är ett kostnadseffektivt, miljömässigt hållbart och snabbt sätt att tillverka nanostrukturer med kritiska tillämpningar inom olika industrier, allt från terapeutiska produkter till självreplikerande maskiner.
Genom att utnyttja de självmonterande egenskaperna hos proteiner från nagelbanden på asiatiska majsborrmallarver (Ostrinia furnacalis), har forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) skapat kapslar i nanostorlek som kan användas för att leverera läkemedel och budbärar-RNA (mRNA). mRNA är en molekyl som instruerar celler att producera proteiner och har använts i covid-19-vacciner.
Den asiatiska majsborrmalen, som finns i regioner från Kina till Australien, är en jordbruksskadegörare som förstör majsgrödor, med larverna som orsakar skadan. Nagelbandet på larvens huvud skyddar den och ger den unika mekaniska egenskaper.
Forskarna analyserade proteinerna i nagelbandet från huvudena på asiatiska majsborrlarver för att identifiera kedjor av aminosyror, så kallade peptider, som kunde sättas samman till ordnade strukturer oberoende av varandra.
De screenade proteinerna för peptider som innehöll samma sekvens av aminosyror som upprepades tre eller flera gånger, med varje sekvens bestående av minst fem aminosyror. På grund av interaktionerna mellan de återkommande aminosyrorna kommer peptider med denna egenskap sannolikt att genomgå självmontering.
Forskarna identifierade tre peptider som kunde sammanfogas själv och bilda ihåliga nanokapslar från deras analys.
Forskningen leddes av professor Yu Jing från NTU:s School of Materials Science and Engineering, före detta NTU Distinguished University Professor Gao Huajian (nu Xinghua University Professor vid Tsinghua University), Prof Liu Tian från Dalian University of Technology och Prof Yang Qing från Chinese Academy of Agricultural Sciences.
Forskarna ansöker om patent för sin innovation, baserat på deras studieresultat som rapporterats i Nature Nanotechnology i april 2024.
Jämfört med konventionella läkemedelstillförselmetoder är nanokapslarna inte giftiga och kan effektivt leverera olika läkemedel med olika egenskaper.
Självmonteringsprocessen drivs av skillnader i kemiska koncentrationer, vilket gör att peptiderna går ihop som legoklossar och bildar stabila strukturer.
Forskarna skapade syntetiska versioner av de naturliga självmonterande peptiderna som finns i larverna och löste upp varje peptid i vatten. De tillsatte sedan det organiska lösningsmedlet aceton till peptidlösningarna för att initiera självmontering.
Forskarna upptäckte att självmontering av peptiderna sker i två steg. Först bildade peptidlösningen droppar omedelbart när aceton tillsattes. Därefter skapar diffusionen av aceton in i dropparna och vatten ut ur dropparna en koncentrationsgradient vid dropparnas gränssnitt som utlöser peptiderna att samlas till arkliknande strukturer som kallas beta-ark, och så småningom bildar sfäriska ihåliga nanokapslar. Hela processen äger rum inom 10 minuter efter den första blandningen.
Forskarna kunde också finjustera nanokapslarnas storlek genom att justera förhållandet mellan peptider och isoforondiisocyanat. Denna förening länkar samman peptiderna för att stabilisera nanokapslarna.
"Såvitt vi vet är detta första gången som peptidnanokapslar har skapats utan mallar, vilket banar väg för ett anpassningsbart läkemedelsleveranssystem", säger professor Yu.
"Våra peptidnanokapslar öppnar dörren till olika potentiella biomedicinska tillämpningar, såsom läkemedelsleverans och genterapi."
Ett mångsidigt läkemedelstillförselsystem
Forskarna visade att nanokapslarna kunde användas för att fånga och leverera "last" som kemoterapiläkemedel och antikroppar. Genom att modifiera peptidkedjorna kunde de också använda nanokapslarna för att leverera mRNA.
Nanokapslarna som innehöll läkemedel och mRNA var inte toxiska och togs upp framgångsrikt av en mängd olika celler.
"Genom att förstå beteendet hos självsammansättande peptider i naturen kan vi konstruera dem för att leverera en mängd olika läkemedel och terapeutiska föreningar", säger Dr Li Haopeng, en forskare från NTU:s School of Materials Science and Engineering och första författare till studien.
"Vi avslöjar inte bara hemligheterna med självmontering utan översätter dem också till verkliga lösningar som kan gynna våra liv", säger Dr. Qian Xuliang, en forskarstipendiat från NTU:s School of Mechanical and Aerospace Engineering och medförfattare. av studien.
I nästa steg kommer forskarna att utforska användningen av artificiell intelligensteknik som maskininlärning för att automatiskt identifiera andra naturliga självsamlande peptider.
Mer information: Haopeng Li et al, Självmontering av peptidnanokapslar genom en lösningsmedelskoncentrationsgradient, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01654-w
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
