Kimiawan menemukan nanomaterial yang mengubah bentuk dengan potensi biomedis yang menarik

Mikrograf fluoresen, di bagian atas, menunjukkan bahan nano berbentuk lembaran baru. Bilah skala putih berukuran 4 mikrometer di foto utama dan 2 mikrometer di foto sisipan. Kredit: Conticello Lab

Kimiawan telah mengembangkan nanomaterial yang dapat mereka picu untuk mengubah bentuk (dari lembaran datar menjadi tabung dan kembali ke lembaran) dengan cara yang terkendali. Dia Jurnal American Chemical Society menerbitkan deskripsi dari nanomaterial, yang dikembangkan di Emory University dan memiliki potensi untuk berbagai aplikasi biomedis, dari pengiriman obat terkontrol hingga rekayasa jaringan.

Nanomaterial, yang berupa lembaran 10.000 kali lebih tipis dari lebar rambut manusia, tersusun dari kolagen sintetis. Kolagen alami adalah protein paling melimpah pada manusia, membuat bahan baru ini secara intrinsik kompatibel secara biologis.

“Tidak ada yang sebelumnya membuat kolagen dengan sifat mengubah bentuk bahan nano kami,” kata Vincent Conticello, penulis utama penemuan dan profesor kimia biomolekuler dari Emory. “Kita dapat mengubahnya dari daun menjadi tabung dan kembali hanya dengan memvariasikan pH, atau asam konsentrasi, di lingkungan mereka. “

Kantor Transfer Teknologi Emory telah mengajukan permohonan paten sementara untuk bahan nano.

Nanomaterial berbentuk tabung

Mikrograf fluoresen dalam bentuk tergeser. Bilah skala putih berukuran 4 mikrometer di foto utama dan 2 mikrometer di foto sisipan. Kredit: Conticello Lab

Penulis pertama dari temuan ini adalah Andrea Merg, mantan rekan postdoctoral di lab Conticello yang sekarang di Mercy of the University of California, dan Gavin Touponse, yang melakukan pekerjaan sebagai mahasiswa Emory dan sekarang di fakultas Pengobatan Stanford. Karya tersebut merupakan kolaborasi antara Emory dan ilmuwan dari Argonne National Laboratory, Paul Scherrer Institute di Villigen, Swiss, dan Center for Cellular Imaging dan NanoAnalytics di University of Basel.

Kolagen adalah protein struktural utama dalam jaringan ikat tubuh, seperti tulang rawan, tulang, tendon, ligamen, dan kulit. Ini juga melimpah di pembuluh darah, usus, otot dan bagian tubuh lainnya.

Kolagen yang diekstrak dari mamalia lain, seperti babi, terkadang digunakan untuk penyembuhan luka dan aplikasi medis lainnya pada manusia. Lab Conticello adalah salah satu dari sedikit lab di seluruh dunia yang berfokus pada pengembangan kolagen sintetis yang sesuai untuk aplikasi dalam biomedis dan teknologi kompleks lainnya. Biomaterial “perancang” sintetis ini dapat dikontrol dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh kolagen alami.

Tabung dengan bentuk material nano

Mikrograf elektron memberikan tampilan detail dari material nano baru. Panah menunjukkan lapisan yang terbentuk di dalam tabung, yang mengarahkan peneliti untuk berhipotesis bahwa daun membentuk tabung dengan bergerak di sekitar sudut. Kredit: Conticello Lab

“Sudah 30 tahun yang lalu, urutan kolagen bisa dikontrol,” kata Conticello. “Namun, bidang ini telah mendapatkan momentum selama 15 tahun terakhir karena kemajuan dalam kristalografi dan mikroskop elektron, yang memungkinkan kami untuk menganalisis struktur skala nano dengan lebih baik.”

Conticello mengatakan pengembangan material nano pengubah bentuk baru di Emory adalah “kecelakaan yang tidak disengaja.” “Ada elemen keberuntungan dan elemen desain.”

Protein kolagen terdiri dari serat heliks rangkap tiga yang dililitkan satu sama lain seperti tali tiga untai. Benangnya tidak fleksibel, kaku seperti pensil, dan terikat erat menjadi matriks kristal.

Laboratorium Conticello telah bekerja selama satu dekade dengan lembaran kolagen yang dikembangkannya. “Lembaran adalah kristal dua dimensi yang besar, tetapi karena cara peptida dikemas, itu seperti sekumpulan pensil kemasan,” jelas Conticello. “Setengah dari pensil dalam kemasan memiliki kabel mengarah ke atas dan separuh lainnya memiliki ujung penghapus mengarah ke atas.”

Conticello ingin mencoba memperhalus lembaran kolagen sehingga setiap sisi terbatas pada fungsinya. Untuk mengambil analogi pensil lebih jauh, satu permukaan lembaran akan menjadi semua titik awal dan permukaan lainnya akan menjadi penghapus. Tujuan utamanya adalah mengembangkan lembaran kolagen yang dapat diintegrasikan dengan perangkat medis dengan membuat satu permukaan kompatibel dengan perangkat dan permukaan lainnya kompatibel dengan protein fungsional dalam tubuh.

Namun, ketika para peneliti merancang jenis permukaan terpisah ini menjadi lembaran kolagen tunggal, mereka terkejut mengetahui bahwa hal itu menyebabkan lembaran menggulung seperti gulungan. Mereka kemudian menemukan bahwa transisi perubahan bentuk dapat dibalik: mereka dapat mengontrol apakah lembaran itu datar atau bergeser hanya dengan mengubah pH larutan di mana ia ditemukan. Mereka juga menunjukkan bahwa mereka dapat menyesuaikan lembaran untuk berubah bentuk ke tingkat pH tertentu. dengan cara yang dapat dikontrol pada tingkat molekuler dengan desain.

“Sangat menarik bahwa keadaan di mana transisi terjadi adalah kondisi fisiologis,” kata Conticello. “Ini membuka potensi untuk menemukan cara untuk memuat produk terapeutik ke dalam tabung kolagen dalam kondisi laboratorium terkontrol. Tabung kolagen dapat disesuaikan untuk menyebarkan dan melepaskan molekul obat yang dikandungnya setelah masuk. sekitar pH sel manusia. “

Referensi: “Material nano peptida yang berubah bentuk: asimetri permukaan memungkinkan pembentukan dan interkonversi tabung dan lembaran kolagen yang bergantung pada pH” oleh Andrea D. Merg, Gavin Touponse, Eric van Genderen, Thorsten B. Blum , Xiaobing Zuo, Alisina Bazrafshan, Hew Ming Helen Siaw, Arthur McCanna, R. Brian Dyer, Khalid Salaita, Jan Pieter Abrahams dan Vincent P. Conticello, 10 November 2020, Jurnal American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.0c08174

Ilmuwan Emory yang membantu mengukur dan mengkarakterisasi bahan nano baru dan ikut menulis karya tersebut termasuk profesor kimia Brian Dyer dan Khalid Salaita; mahasiswa pascasarjana kimia Alisina Bazrafshan dan Helen Siaw; dan Arthur McCanna, dari Inti Mikroskopi Elektron Terpadu Robert P. Apkarian.

Rekan penulis dari Institut Paul Scherrer membantu mengkarakterisasi struktur tiga dimensi dari rakitan kristal dan untuk menganalisis lebih lanjut material nano. Mereka termasuk Jan Pieter Abrahams, Thorsten Blum dan Eric van Genderen. Xiaobing Zuo, dari Argonne National Laboratory, juga berkontribusi sebagai rekan penulis proyek.

Pekerjaan tersebut didanai oleh National Science Foundation, Swiss National Science Foundation dan National Institutes of Health.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.