Новый подход команды включает в себя оборачивание полимера поли (акриловой кислоты) вокруг гемоглобина, защиту его от сильного тепла, используемого при стерилизации, и позволяющее ему сохранять свою биологическую функцию и структурную целостность.
Помимо потенциальных применений в стабилизации вакцин и разработке недорогой искусственной крови, стабилизирующий полимер также позволяет хранить вакцины и другие биомедицинские продукты в течение более длительных периодов времени без охлаждения. Он также может найти применение в биоматериалах, биосенсорах и биотопливе.
«Стабильность белка — главная проблема биотехнологии», — говорит Чалла В. Кумар, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета и главный исследователь проекта. «Мы взяли эту белковую молекулу и обернули ее в полимерную цепь, чтобы стабилизировать ее.
С точки зрения термодинамики, мы ограничили энтропию денатурированного состояния белка и стабилизировали ее сверх наших ожиданий. Система также демонстрирует высокую степень обратимости. Белок можно денатурировать и ренатурировать много-много раз. Это самый первый подобный пример в литературе по белковой науке.
Никому и никогда не удавалось добиться такой стабильности белков."
Популярный пример денатурации можно найти в белке, содержащемся в яйцах. По мере того, как яйцо готовится и белок вокруг желтка становится белым, белок в яйце денатурируется и не может вернуться в свое первоначальное естественное состояние. Аналогичным образом, когда белки в живой клетке подвергаются воздействию тепла, они становятся денатурированными, что нарушает их активность и может привести к гибели клетки.
Когда белок является критическим элементом вакцины и распадается, продукт становится бесполезным.
В поисках жизнеспособного материала, который мог бы служить в качестве стабилизатора белка, команда Кумара нашла тот, который легко доступен, недорого и может быть химически модифицирован для дальнейших улучшений.
Поли (акриловая кислота), использованная в исследовании, представляет собой тот же материал, что и одноразовые подгузники, и является одним из самых распространенных синтетических полимеров на планете. Этот конкретный полимер, по словам Кумара, очень гидрофильный, что означает, что он любит воду. Полимер естественным образом связывается с гемоглобином, создавая плотную изоляцию, которая защищает молекулу белка и позволяет ей сохранять свою структурную целостность даже после нагревания до 120 ° C?C в течение длительного времени (стерилизация паром).
К нему в проекте присоединился Раджешвари Каси, доцент химии, эксперт по синтетическим полимерам и гибридным материалам.
В исследовательскую группу также вошли аспиранты: Вамси Мудхиварти, Кайл Коул, Инока Дешаприя, Катерина Риккарди и Юйсян Чжоу, а также студенты бакалавриата Марк Новак и Уэстли Киппхут.
Кумар гордится тем, что студенты приняли участие в таком крупном исследовательском проекте. «Одна из наших миссий в университете — обучать студентов исследованиям, — говорит он, — и мы относимся к этому очень серьезно."
Команда протестировала различные белково-полимерные композиции с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и оптической спектроскопии.
Исследование было поддержано многочисленными грантами Национального научного фонда, сумма которых за последние 10 лет превысила 3 миллиона долларов.
В статье, опубликованной в прошлом году в Journal of Materials Chemistry, Кумар и его команда показали, как гемоглобин, завернутый в низкомолекулярный поли (акриловую кислоту), образует наночастицы, которые сохраняют свое естественное состояние и структуру даже после того, как они подверглись суровым условиям паровая стерилизация.
В тех же условиях образцы гемоглобина, которые не были обернуты полимером, утратили большую часть своей структуры и функций.
Кумар сказал, что эти результаты испытаний сигнализируют о прорывном моменте проекта.
В рамках своего исследования команда решила изучить возможность использования гемоглобина в качестве искусственного кровезаменителя. Гемоглобин при извлечении из крови распадается и в чистом виде токсичен.
Поскольку гемоглобин является важнейшим белком-переносчиком кислорода в крови, Кумар и его команда ищут способы стабилизации гемоглобина в его естественной форме, чтобы он сохранял свою активность и оставался безвредным при применении в качестве трансфузионного агента. Это может привести к появлению нового заменителя человеческой крови, которой часто не хватает. Ожидается, что в ближайшие годы нехватка крови усилится, поскольку все больше и больше людей в мире, вероятно, будут нуждаться в переливании крови, сказал Кумар.
Исследование привлекло внимание ученых Merck, мирового лидера в области рецептурных лекарств, вакцин и биологических методов лечения.
«Возможность контролировать размещение белков в полимерных матрицах определенного размера открывает захватывающие возможности для производства сильнодействующих и термостабильных вакцинных антигенов», — говорит Хенрик Мах, старший исследователь отдела разработки вакцинных лекарственных препаратов компании Merck. "Проф. Работа Кумара вполне может предоставить технологии для доставки вакцин в развивающиеся страны."
По словам Кумара, обилие полимера, гибкость процесса и простота подхода увеличивают его потенциал для массового производства.