Der Unterwasserkleber von Muscheln inspiriert synthetischen Zement

Diejenigen, die schon einmal versucht haben, eine Muschel von Holz bis Stein zu stehlen, wissen, wie stur die Unterwassermollusken sind – und ihr klebriges Geheimnis hat Wissenschaftler schon lange in ihren Bann gezogen. Seit Jahren versuchen Forscher, den außergewöhnlichen Klebstoff und seine Eigenschaften im Labor zu replizieren, indem sie auf einige der acht Proteine ​​abzielen, die Muscheln absondern und verwenden, um ein Organ namens Fuß zu beschichten, mit dem sich Muscheln an Oberflächen anheften.

Jetzt haben Forscher der Northwestern University mithilfe einer neuartigen Methode zur Anordnung von Molekülen ein Material geschaffen, das sogar noch besser funktioniert als der Klebstoff, den sie nachzuahmen versuchten. Ihre Ergebnisse, die am 3. März in veröffentlicht werden Zeitschrift der American Chemical Societyerläutern, wie diese proteinähnlichen Polymere als Plattform zur Entwicklung neuer Materialien und Therapeutika verwendet werden können.

„Das Polymer könnte in einem biomedizinischen Kontext als Klebstoff verwendet werden, was bedeutet, dass man es jetzt an ein bestimmtes Gewebe im Körper kleben könnte“, sagte Nathan Gianneschi von Northwestern. „Und halten Sie andere Moleküle in der Nähe an einem Ort, was bei der Wundheilung oder -reparatur nützlich wäre.“

Gianneschi leitete die Studie und ist Jacob and Rosaline Cohn Professor of Chemistry am Weinberg College of Arts and Sciences at Northwestern.

Proteine, wie sie von Muschelfüßen abgesondert werden, gibt es in der Natur. Die Evolution hat es sich zur Gewohnheit gemacht, diese langen, linearen Aminosäureketten zu schaffen, die sich immer wieder wiederholen (Tandem-Repeat-Proteine ​​oder TRPs genannt). Die Proteingerüste, die manchmal dehnbar, stark und klebrig erscheinen, zeigen sich in Insektenflügeln und -beinen, Spinnenseide und Muschelfüßen. Wissenschaftler kennen die genauen Primärsequenzen von Aminosäuren, aus denen viele solcher Proteine ​​bestehen, haben jedoch Schwierigkeiten, den komplizierten natürlichen Prozess zu replizieren und gleichzeitig die außergewöhnlichen Eigenschaften beizubehalten.

Der Erstautor der Veröffentlichung, Or Berger, ein Postdoktorand in Gianneschis Labor, der Peptide – genau diese Ketten von Aminosäuren – untersucht, hatte eine Idee, wie man Aminosäurebausteine ​​anders anordnen könnte, um die Eigenschaften zu replizieren, anstatt die Struktur von Muschelproteinen direkt zu kopieren .

Indem man den Baustein eines der Proteine ​​(das sich wiederholende Dekapeptid, eine 10-Aminosäuren-Sequenz, aus der das Muschelfußprotein besteht) nahm und ihn in ein synthetisches Polymer einfügte, dachte Berger, dass die Eigenschaften verbessert werden könnten.

Als stellvertretender Direktor des International Institute for Nanotechnology hat Gianneschi einen Großteil seines Labors um die Idee herum aufgebaut, Proteine ​​in ihrer Funktion mithilfe der Polymerchemie nachzuahmen. Innerhalb der Präzisionstherapie bekämpfen Arzneimitteltherapien wie Antikörper und andere kleine Moleküle einige Krankheiten, bei denen ein Nanoträger verwendet wird, um ein Arzneimittel effektiver an ein Ziel zu bringen. Aber Gianneschi sagt, dass replizierende Proteine ​​biologische Probleme anders angehen könnten, indem sie die Wechselwirkungen innerhalb und zwischen Zellen, die am Fortschreiten von Krankheiten beteiligt sind, oder zwischen Zellen, Geweben und Materialien verändern.

„Proteine ​​ordnen Aminosäuren als Ketten an, aber stattdessen nahmen wir sie und ordneten sie parallel auf einem dichten synthetischen Polymerrückgrat an“, sagte Gianneschi. „Das war das Gleiche, womit wir begonnen haben, spezifische biologische Wechselwirkungen zu kontrollieren, sodass dieselbe Plattformtechnologie, die wir für zukünftige Therapeutika verwenden werden, wirklich potenziell interessant für die Materialwissenschaften geworden ist.“

Das Ergebnis war etwas, das wie ein Pinsel aus Peptiden aussieht, anstatt Aminosäuren in einer geraden Linie als Kette zusammenzuschleifen. Während der neuartige Prozess wie ein zusätzlicher Schritt erscheinen mag, überspringt die Bildung von proteinähnlichen Polymeren (PLPs) mehrere Schritte, sodass die Forscher Peptide in einem leicht verfügbaren Synthesizer bilden und sie in das dicht gepackte Rückgrat einfügen müssen, anstatt langwierige Proteinschritte zu durchlaufen Ausdruck.

Um die Wirksamkeit des neuen Materials zu testen, trugen die Forscher entweder das Polymermaterial oder das native Muschelprotein auf Glasplatten auf. Die Forscher platzierten Zellen auf den Platten und bewerteten dann nach dem Waschen, wie viele Zellen vorhanden waren, entweder anhaftend oder nicht, um zu beurteilen, wie gut die Materialien funktionierten. Sie fanden heraus, dass das PLP einen zellulären Superkleber bildete, der im Vergleich zur nativen Mischung und der unbehandelten Platte die meisten Zellen anhaftete.

„Eigentlich wollten wir die Eigenschaften der Muschel nicht verbessern“, sagt Berger. „Wir wollten es nur nachahmen, aber als wir es in mehreren verschiedenen Assays getestet haben, haben wir tatsächlich bessere Eigenschaften als das native Material in diesen Umgebungen erhalten.“

Das Team hofft, dass das Modell auf andere Proteine, die ihre Sequenz wiederholen, um auf eine neue Art und Weise Proteine ​​zu replizieren, weit verbreitet sein kann. Sie gehen davon aus, dass eine solche Plattform eine bessere Leistung erbringen könnte als ihre nativen Gegenstücke, da sie dichter und skalierbarer sind. Gianneschi sagte, dies sei die erste von vielen Veröffentlichungen, in denen Proteinmimetika auf Polymerbasis diskutiert werden, und er denke bereits über Anwendungen für zukünftige Materialien nach.

Resilin beispielsweise, ein dehnbares Protein, das in Insektenbeinen und -flügeln vorkommt, könnte zur Herstellung flexibler Drohnen und anderer Roboter verwendet werden.

„Wenn man über Polymere spricht, denken manche Leute sofort an Plastiktüten und -flaschen“, sagte Gianneschi. „Stattdessen handelt es sich um sehr funktionale, fortschrittliche Präzisionsmaterialien, die zugänglich gemacht werden.“

Gianneschi und Berger sind Erfinder von schwebendem geistigem Eigentum in diesem Bereich. Gianneschi ist außerdem Professor für Biomedizintechnik und Materialwissenschaft und -technik an der McCormick School of Engineering und Mitglied des Chemistry of Life Processes Institute, des Simpson Querrey Institute und des Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center der Northwestern University. Er ist Mitbegründer des Unternehmens Grove Biopharma, das versucht, Versionen dieser Materialien als translationale Therapeutika zu entwickeln.

Die Studie trägt den Titel „Ein von Muschelklebern inspiriertes protemimetisches Polymer“.