Nieuwe technieken ontwikkelen om biomaterialen te bouwen

Wetenschappers van de Universiteit van Leeds hebben een aanpak ontwikkeld die kan helpen bij het ontwerpen van een nieuwe generatie synthetische biomaterialen gemaakt van eiwitten.

De biomaterialen kunnen uiteindelijk worden toegepast in gewrichtsreparatie of wondgenezing, evenals in andere gebieden van gezondheidszorg en voedselproductie.

Maar een van de fundamentele uitdagingen is het controleren en verfijnen van de manier waarop eiwitbouwstenen samenkomen in complexe eiwitnetwerken die de basis vormen van biomaterialen.

Wetenschappers in Leeds onderzoeken hoe veranderingen in de structuur en mechanica van individuele eiwitbouwstenen – veranderingen op nanoschaal – de structuur en mechanica van het biomateriaal op macroniveau kunnen veranderen, terwijl de biologische functie van het eiwitnetwerk behouden blijft.

In een paper gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano, melden de onderzoekers dat ze de structuur van een eiwitnetwerk konden veranderen door een specifieke chemische binding in de eiwitbouwstenen te verwijderen. Ze noemden deze bindingen de “eiwitnietjes”.

Met de eiwitnietjes verwijderd, ontvouwden de individuele eiwitmoleculen zich gemakkelijker wanneer ze met elkaar verbonden zijn en samenkomen in een netwerk. Dit resulteerde in een netwerk met regio’s van gevouwen eiwit verbonden door regio’s die het ongevouwen eiwit bevatten, wat resulteert in zeer verschillende mechanische eigenschappen voor het biomateriaal.

Professor Lorna Dougan, van de School of Physics and Astronomy in Leeds, die toezicht hield op het onderzoek, zei: “Eiwitten vertonen verbazingwekkende functionele eigenschappen. We willen begrijpen hoe we deze diverse biologische functionaliteit kunnen benutten in materialen die eiwitten als bouwstenen gebruiken.

“Maar daarvoor moeten we begrijpen hoe veranderingen op nanoschaal, op het niveau van individuele moleculen, de structuur en het gedrag van het eiwit op macroniveau veranderen.”

Dr. Matt Hughes, ook van de School of Physics and Astronomy en hoofdauteur van het artikel, zei: “Het beheersen van het vermogen van de eiwitbouwsteen om zich te ontvouwen door de “eiwitnietjes” te verwijderen, resulteerde in significant verschillende netwerkarchitecturen met duidelijk verschillend mechanisch gedrag en dit toont aan dat het ontvouwen van de eiwitbouwsteen een bepalende rol speelt in de architectuur van eiwitnetwerken en de daaropvolgende mechanica.”

De onderzoekers gebruikten faciliteiten van het Astbury Centre for Structural Molecular Biology and School of Physics and Astronomy in Leeds en de ISIS Neutron Muon Source-faciliteit in het STFC Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire. Met behulp van bundels neutronen konden ze kritische veranderingen in de structuur van het eiwitnetwerk identificeren toen de nano-nietjes werden verwijderd.

In combinatie met het experimentele werk modelleerde Dr. Ben Hanson, een onderzoeksmedewerker aan de School of Physics and Astronomy in Leeds, de structurele veranderingen die plaatsvinden. Hij ontdekte dat het specifiek de handeling van het ontvouwen van eiwitten tijdens netwerkvorming was, die cruciaal was bij het definiëren van de netwerkarchitectuur van de eiwithydrogels.

Professor Dougan voegde toe: “Het vermogen om de eigenschappen op nanoschaal van eiwitbouwstenen te veranderen, van een starre, gevouwen toestand naar een flexibele, ongevouwen toestand, biedt een krachtige route naar het creëren van functionele biomaterialen met controleerbare architectuur en mechanica.”