מדענים פיתחו שיטות לשלוט בצורות המדויקות וב"ידיות" של פפטואידים, מולקולות דמוי חלבון בהשראת מבנים מולקולריים טבעיים, החיוניים ליישומים כמו מתן תרופות וטיפול במחלות. המחקר שלהם מדגיש את הטכניקות החדשניות שלהם ביצירת חומרים מבוססי פפטואידים פונקציונליים לשימושים טכנולוגיים ורפואיים שונים. קרדיט: איור מאת נתן ג'ונסון | המעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק
חוקרים למדו לשלוט ב"ידיות" של פפטואידים, גורם מכריע במתן תרופות מדויקות ובאבחון.
הטבע מלא בצורות מולקולריות מדויקות במיוחד שמתחברות זו לזו כמו יד בכפפה. חלבונים, למשל, יכולים להרכיב למגוון רחב של צורות מוגדרות היטב המעניקות להם את תפקידם.
"בהתאם לצורתם, חלבונים יכולים להשתלב יחד עם חלבונים אחרים כדי לבצע פונקציות או תקלה על ידי התקבצות יחד, כפי שנצפה ב אלצהיימר מחלה", אמר מדען החומרים Chun-Long Chen. "ההבנה של האופן שבו הם מתאספים, והמקורות של צורתם הספציפית, יכולה להיות משמעותית עבור יישומים שונים כמו מתן תרופות, אבחון וטיפול."
במחקרים שפורסמו ב תקשורת טבע ו Angewandte Chemie, חן ועמיתיו ל-PNNL חקרו כיצד לשלוט בצורות אלו על ידי יצירת חומרים מבוססי פפטואידים בהשראת הטבע. הוא משתמש במולקולות המתוחכמות דמויות החלבון הללו כדי לעצב חומרים ליישומי אנרגיה, כגון קצירת אור או פירוק ליגנין עצי. בעשור האחרון, צ'ן והצוות שלו במעבדה הלאומית של Pacific Northwest פיתחו פלטפורמה ליצירת חומרים פונקציונליים מבוססי פפפטואידים ואפיון התנהגותם.
"לפפטואידים יש פוטנציאל לשימוש במגוון יישומים", אמר צ'ן. "בהתבסס על הצורות המורכבות שלהם ותכונות אחרות, אפשר לעצב פפטואידים כסוכני מתן תרופות או אנזימים מלאכותיים."
כמו יד בכפפה
חן ועמיתיו חברו ל- אוניברסיטת וושינגטוןה אוניברסיטת שיקגו, והמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה לתכנון מכלולי פפטואידים בעלי צורות מדויקות. הניסוי שלהם כרוך בכיוון ה"ידידות" של הסליל. סלילים יכולים להיות "שמאליים" או "ימניים" בהתאם לכיוון שאליו הם מסתחררים. התוצאות שלהם פורסמו ב תקשורת טבע.
"ידיות היא חשובה ביותר בעת תכנון מולקולות מיוחדות, כמו תרופות," אמר צ'ן. "הבנה ושליטה בידידות זו יכולה לספק תובנות לגבי תהליכים כמו הרכבת חלבונים ועשויה להיות בעלת ערך למציאת תרופות למחלות הקשורות לקיפול חלבון כמו מחלת אלצהיימר."
צ'ון-לונג צ'ן וצוותו פיתחו דרך לשלוט בצורת הסליל הפפטואיד. קרדיט: Chun-Long Chen | המעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק
לצורך הניסוי הזה, צ'ן וצוותו בחרו לחפש מבנים סליליים דמויי חולץ פקקים בגלל חשיבותם הביולוגית. למעשה, רוב החלבונים מכילים את המבנים הסליליים הבסיסיים הללו.
שיטות סינתזה פפטואידיות קודמות היו מניבות שילוב של סלילים שמאליים וימניים. בטבע, חלבונים צריכים להיות במבנה מסוים כדי לבצע את תפקידיהם – רובם שמאליים.
"קבוצות אחרות לפנינו הצליחו לסנתז ננו-הליסים פפטואידים, אבל השליטה המדויקת על צורותיהם ומידת הידיים שלהם נותרה אתגר", אמר צ'ן. "היכולת לשלוט בצורות שלהם לא רק תפתח את הדלת לתכנון חומרים עתידיים, אלא גם תספק תובנות לגבי תהליכים ביולוגיים המערבים את המבנים הללו."
באמצעות שילוב של טכניקות ניסיוניות וטכניקות חישוביות, חן וצוותו גילו דרך לשלוט בידידות של סליל פפטואיד. בדומה לחלבונים, פפטואידים נוצרים מאמיני חוּמצָה-כמו אבני בניין. לכל אבן בניין יש את אותם אטומים "עמוד השדרה" היוצרים קשרים פפטואידים, עם זאת, כל חוליה בודדת בשרשרת יכולה להשתנות מאוד. הקבוצה של צ'ן גילתה שהם יכולים לשלוט בצורת הסליל על ידי מניפולציה של רצף שרשראות הצד הפפטואידיות.
הוספת מימד נוסף לחקר הפפטואידים
כדי להמשיך ולחקור כיצד פפטואידים יכולים להרכיב, צ'ן שיתף פעולה עם עמיתים מאוניברסיטת וושינגטון, אוניברסיטת הרווארד, אוניברסיטת בינגהמטון ואוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג Sci-Tech. בהרחבת המחקרים הדו-ממדיים הקודמים שלהם על מבנים פפטואידים, הצוות הצליח לפתח ננו-מבנה סלילי תלת-ממדי.
הם הבחינו כי הכללת "קבוצות פונקציונליות" מיוחדות של אטומים ברצפים הפפטואידים שלהם אפשרה להם ליצור מבנים בעלי פונקציות מיוחדות – בדומה למכלולי חלבונים. עבודתם פורסמה ב Angewandte Chemie.
"למרות שזהו מחקר בסיסי, המחקר הזה נותן לנו תובנות נוספות כיצד אנו יכולים ליצור חומרים טובים יותר ומדויקים יותר – כמו אלה שנמצאים בטבע – עבור יישומים ספציפיים", אמר צ'ן. "לפפטואידים יש פוטנציאל לשימוש במגוון יישומים. בהתבסס על המבנה והתכונות האחרות שלהם, אפשר לעצב פפטואידים כסוכני מסירת תרופות או מערכות לאיסוף אור מלאכותי".
בעתיד, חן וצוותו מקווים ליצור מגוון רחב של ננו-חומרים מבוססי פפטואידים ליישומים. שליטה בצורת הפפטואיד, כפי שמתואר במאמרי המחקר שלהם, היא רק הצעד הראשון.
שני המחקרים נתמכו בעיקר על ידי המחלקה לאנרגיה, משרד המדע, תוכנית מדעי האנרגיה הבסיסית כחלק מתוכנית Energy Frontier Research Centers: CSSAS – המרכז למדע הסינתזה על פני קנה מידה.
