Chemiker erfinden formveränderliches Nanomaterial

Das Nanomaterial, das in Plattenform 10.000-mal dünner ist als ein menschliches Haar, besteht aus synthetischem Kollagen. Natürlich vorkommendes Kollagen ist das am häufigsten vorkommende Protein im Menschen, was das neue Material intrinsisch biokompatibel macht.

"Niemand hat bisher Kollagen mit den formverändernden Eigenschaften unseres Nanomaterials hergestellt", sagt Vincent Conticello, Hauptautor der Studie und Emory-Professor für biomolekulare Chemie. "Wir können es von Blättern in Röhren und zurück verwandeln, indem wir einfach den pH-Wert oder die Säurekonzentration in seiner Umgebung variieren."

Das Emory Office of Technology Transfer hat ein vorläufiges Patent für das Nanomaterial angemeldet.

Die Erstautoren der Ergebnisse sind Andrea Merg, eine ehemalige Postdoc-Stipendiatin im Conticello-Labor, die jetzt an der University of California Merced arbeitet, und Gavin Touponse, der die Arbeit als Emory-Student gemacht hat und jetzt in Stanford Medizin studiert. Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen Emory und Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory, des Paul-Scherrer-Instituts in Villigen, Schweiz, und des Center for Cellular Imaging and NanoAnalytics der Universität Basel.

Kollagen ist das wichtigste Strukturprotein im körpereigenen Bindegewebe, wie Knorpel, Knochen, Sehnen, Bänder und Haut. Es ist auch in Blutgefäßen, im Darm, in den Muskeln und in anderen Teilen des Körpers reichlich vorhanden.

Kollagen aus anderen Säugetieren, wie z. B. Schweinen, wird manchmal für die Wundheilung und andere medizinische Anwendungen beim Menschen verwendet.

Conticellos Labor ist eines von nur wenigen Dutzend auf der ganzen Welt, die sich mit der Entwicklung von synthetischem Kollagen beschäftigen, das für Anwendungen in der Biomedizin und anderen komplexen Technologien geeignet ist. Solche synthetischen "Designer"-Biomaterialien können auf eine Weise kontrolliert werden, wie es natürliches Kollagen nicht kann.

"Bereits vor 30 Jahren wurde es möglich, die Sequenz von Kollagen zu kontrollieren", sagt Conticello. "Richtig Fahrt aufgenommen hat das Feld aber erst in den letzten 15 Jahren durch die Fortschritte in der Kristallographie und Elektronenmikroskopie, die es uns erlauben, Strukturen im Nanomaßstab besser zu analysieren."

Die Entwicklung des neuen formveränderlichen Nanomaterials am Emory war "ein glücklicher Zufall", sagt Conticello. "Es war ein Element des Glücks dabei und ein Element des Designs."

Das Kollagenprotein besteht aus einer dreifachen Helix von Fasern, die sich wie ein dreisträngiges Seil umeinander wickeln. Die Stränge sind nicht biegsam, sondern steif wie Bleistifte und liegen in einer kristallinen Anordnung dicht beieinander.

Das Conticello-Labor arbeitet seit einem Jahrzehnt mit Kollagenplatten, die es entwickelt hat. "Ein Blatt ist ein großer, zweidimensionaler Kristall, aber aufgrund der Art und Weise, wie die Peptide gepackt sind, ist es wie ein ganzer Haufen Bleistifte, die zusammengebündelt sind", erklärt Conticello. "Bei der Hälfte der Bleistifte in dem Bündel zeigen die Minen nach oben und bei der anderen Hälfte zeigt das Radiergummiende nach oben."

Conticello wollte versuchen, die Kollagenblätter so zu verfeinern, dass jede Seite auf eine Funktionalität beschränkt ist. Um die Analogie zum Bleistift weiter zu führen, würde eine Seite des Blattes nur aus Minenspitzen bestehen und die andere Seite nur aus Radiergummis. Das ultimative Ziel war es, Kollagenblätter zu entwickeln, die in ein medizinisches Gerät integriert werden können, indem eine Oberfläche mit dem Gerät und die andere Oberfläche mit funktionellen Proteinen im Körper kompatibel gemacht wird.

Als die Forscher diese getrennten Oberflächentypen in einzelne Kollagenblätter einbauten, waren sie jedoch überrascht, dass sich die Blätter dadurch wie Schriftrollen aufrollten. Sie fanden dann heraus, dass der Formwandel reversibel war - sie konnten kontrollieren, ob ein Blatt flach oder gerollt war, indem sie einfach den pH-Wert der Lösung, in der es sich befand, veränderten. Sie zeigten auch, dass sie die Blätter so abstimmen konnten, dass sie sich bei bestimmten pH-Werten in einer Weise verformen, die auf molekularer Ebene durch Design kontrolliert werden kann.

"Es ist besonders interessant, dass die Bedingung, bei der der Übergang auftritt, eine physiologische Bedingung ist", sagt Conticello. "Das eröffnet die Möglichkeit, einen Weg zu finden, ein Therapeutikum unter kontrollierten Laborbedingungen in eine Kollagenröhre einzubringen. Der Kollagenschlauch könnte dann so eingestellt werden, dass er sich entfaltet und die darin enthaltenen Medikamentenmoleküle freisetzt, nachdem er in die pH-Umgebung einer menschlichen Zelle gelangt ist."

Orginialveröffentlichung:
Journal of the American Chemical Society: Merg et al. (2020) - Shape-Shifting Peptide Nanomaterials: Surface Asymmetry Enables pH-Dependent Formation and Interconversion of Collagen Tubes and Sheets

Quelle: Phys.org – Chemists invent shape-shifting nanomaterial

Bildquelle: Wikimedia Commons : Laboratories Server – Collagen