PDF Basket
Peptydy to najmniejsze fragmenty białek składające się z kilku cząsteczek aminokwasów, które także pełnią specjalistyczne funkcje, takie jak aktywność przeciwdrobnoustrojowa, sygnalizacyjna i hormonalna.
Zespół wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych unijnego projektu BISON badał możliwie najmniejszy samoorganizujący się układ peptydowy, który wykazywałby pożądane właściwości fizyczne, dzięki czemu znalazłby szereg zastosowań, między innymi w bioelektronice.
„Nasze odpowiednio uporządkowane, stabilne w wysokich temperaturach struktury przybliżają nas o krok do ery elektroniki organicznej. Ta dziedzina dopiero raczkuje, a wyniki naszych badań już pomagają ją kształtować”, mówi koordynator projektu Ehud Gazit z Uniwersytetu Tel Awiwu będącego gospodarzem projektu.
Badanie właściwości peptydów
Skupiając się na układach peptydów złożonych z dwóch lub trzech aminokwasów, zespół projektu BISON wykorzystał metodę krystalografii rentgenowskiej, aby scharakteryzować proces samoorganizacji peptydów. Po raz pierwszy przeprowadzono także badanie ekspansji i kurczenia nanostruktur peptydowych za pomocą platformy mikrofluidycznej, co dostarczyło informacji na temat ich zmian fizycznych.
Wykorzystując mikroskopię elektronową, mikroskopię sił atomowych, spektrometrię, spektroskopię i techniki obliczeniowe, przeanalizowano samoorganizowanie się peptydów w czasie rzeczywistym.
Badania te doprowadziły do kilku przełomowych ustaleń. Odnotowano między innymi najwyższą wydajność kwantową (wydajność emisji światła), jaką do tej pory uzyskano w przypadku struktur peptydowych. Zainspirowany tym odkryciem zespół opracował mikrosferyczne anteny pochłaniające światło słoneczne w procesie sztucznej fotosyntezy, potwierdzając potencjał nanotechnologii peptydowej w zakresie pozyskiwania i magazynowania energii.
Rozpoznano ponadto nowy tripeptyd wykazujący podobne zachowanie do kolagenu, na czym skorzysta medycyna. „Było to zaskakujące odkrycie, ponieważ wszystkie inne peptydy tworzą stosy przypominające arkusze”, wyjaśnia Gazit. „W oparciu o te ustalenia opracowaliśmy peptydy tworzące sztywne struktury wykazujące wysokie właściwości piezoelektryczne”.
Piezoelektryczność, czyli zdolność do przekształcania energii mechanicznej na prąd elektryczny, oferuje wiele możliwości. Najbardziej piezoelektryczne materiały oparte są na ołowiu, dlatego są toksyczne dla ludzkiego organizmu, co uniemożliwia ich wykorzystywanie we wszczepialnych urządzeniach biomedycznych. Opracowane w ramach projektu BISON struktury peptydowe mogą zamieniać energię mechaniczną wytwarzaną podczas ruchu ciała na energię elektryczną, która w bezpieczny sposób zasilać będzie urządzenia medyczne, takie jak rozruszniki serca, pompy insulinowe i sztuczne zastawki.
Rozpoznano także struktury dipeptydowe charakteryzujące się najmniejszym krytycznym stężeniem żelowania (minimalnym stężeniem, przy którym rozpuszczona substancja przybiera formę żelową), jaką kiedykolwiek odnotowano, dlatego mogą znaleźć zastosowanie w produkcji hydrożeli przewodzących. W przypadku struktur BISON stężenie było 3 500 razy mniejsze niż w przypadku żelatyny i wynosiło 0,002 % wag. (procent wagowy). Przynosi to nowe możliwości w dziedzinie inżynierii i regeneracji tkanek.
Ustalono także, że struktury peptydowe pozostawały stabilne w temperaturach przekraczających 400 °C, co jest istotne dla wszystkich zastosowań. „Do tej pory zawsze myśleliśmy, że biomateriały są z natury niestabilne, ale opracowane przez nas struktury potwierdzają, że ich stabilność może przewyższać nawet materiały nieorganiczne”, dodaje Gazit.
Ważna dla przyszłych zastosowań jest także możliwość tworzenia różnych układów. W tym celu zespół opracował tripeptydy, które mogą znaleźć zastosowanie w produkcji nanodrutów, nanowłókien i nanosfer.
Jeszcze mniejsze biobudulce
Większość produktów opracowywanych przez przemysł optoelektroniczny wykorzystuje materiały metaliczne, które szkodzą naszej planecie ze względu na zanieczyszczenia generowane podczas ich produkcji i wydobycia, a ponadto nie ulegają biodegradacji. Nieustająca praca zespołu projektu BISON przynosi kolejne owoce w postaci przyjaznych dla środowiska alternatywnych rozwiązań, które przyczyniają się do rozwoju ekologicznej gospodarki.
Aby rozwinąć te obiecujące technologie, zespół otrzymał już finansowanie z UE dla dwóch projektów zorientowanych na ocenę wykonalności koncepcji: PiezoGel, który ulepszy trójwymiarowe hodowle komórek, i PepZoSkin, który zbada możliwości w zakresie opracowania elektronicznej skóry.
„Następnym krokiem jest zastosowanie zgromadzonej wiedzy w nanotechnologii metabolitów, gdzie mamy do czynienia z jeszcze mniejszymi cząsteczkami bioorganicznymi, takimi jak aminokwasy, witaminy i zasady nukleinowe, łącząc potencjał nanotechnologii peptydowych i DNA w celu opracowania rozwiązań opartych na kwasach peptydonukleinowych (PNA)”, mówi Gazit.
Zespół nawiązał współpracę z austriackim Uniwersytetem Johannesa Keplera w Linzu i Izraelskim Instytutem Technologicznym Technion, aby przygotować swoje rozwiązanie do wprowadzenia na rynek.