Dua makalah peneliti baru dari Universitas Rice merinci bagaimana serat kolagen sintetis berkumpul sendiri melalui ujungnya yang lengket.
Kolagen adalah protein paling umum pada mamalia, komponen utama tulang dan jaringan berserat yang mendukung sel dan menyatukan organ. Menemukan rahasianya dapat menghasilkan kolagen sintetik yang lebih baik untuk rekayasa jaringan dan pengobatan kosmetik dan rekonstruktif.
Laboratorium Beras Jeffrey Hartgerink telah mempelajari kolagen sintetik selama satu dekade, mencari tahu detail bagaimana itu dimulai sebagai tiga peptida berbeda yang berputar menjadi heliks rangkap tiga yang khas. Kelompoknya telah mengembangkan kolagen untuk digunakan sebagai agen pembekuan atau perancah dalam pengobatan regeneratif.
Dua makalah dalam Journal of American Chemical Society, yang pertama diterbitkan pada bulan Mei dan yang kedua bulan ini, menunjukkan dengan tepat bagaimana peptida mimetik yang dikembangkan di Rice dapat disejajarkan untuk membentuk heliks dengan ujung lengket yang memungkinkannya menyatu menjadi serat atau gel.
“Kami mengusulkan dalam makalah Kimia Alam (tahun 2011) bahwa peptida berkumpul sendiri dengan cara mengimbangi yang menciptakan ujung yang lengket,” kata Hartgerink. “Dan ujung lengket itu kemudian bisa menyebar. Tetapi bahkan dalam tinjauan makalah itu, mekanisme tersebut mengambil cukup banyak kritik karena tidak ada laporan dalam literatur bahwa sistem kolagen sebenarnya dapat membuat offset ini.
Butuh beberapa tahun dan dua makalah ini untuk membuktikan bahwa kritik itu salah, katanya.
Bentuk kolagen dari susunan heliks dari tiga rantai protein, juga disebut peptida. Rantai, seperti semua protein, terdiri dari amino Setiap zat yang bila dilarutkan dalam air, memberikan pH kurang dari 7,0, atau mendonorkan ion hidrogen.
asam seperti glisin dan prolin (dua komponen utama kolagen) disusun dalam urutan tertentu . Ilmuwan menyukai kebiasaan desain Hartgerink Skala nano mengacu pada skala panjang yang sangat kecil, biasanya dalam orde nanometer (nm), yaitu sepersemiliar meter. Pada skala ini, material dan sistem menunjukkan sifat dan perilaku unik yang berbeda dari yang diamati pada skala panjang yang lebih besar. Awalan "nano-" berasal dari kata Yunani "nanos," yang berarti "kerdil" atau "sangat kecil". , termasuk ilmu material, kimia, biologi, dan fisika.
rantai berskala nano dengan menyusun <div class="wadah teks sel secara hati-hati large-6 small-order-0 large-order-1"> <div class="text-wrapper"><br />Asam amino adalah sekumpulan senyawa organik yang digunakan untuk membangun protein. sekitar 500 asam amino yang dikenal secara alami, meskipun hanya 20 yang muncul dalam kode genetik.Protein terdiri dari satu atau lebih rantai asam amino yang disebut polipeptida.Urutan rantai asam amino menyebabkan polipeptida melipat menjadi bentuk yang aktif secara biologis. Urutan asam amino protein dikodekan dalam gen. Sembilan asam amino proteinogenik disebut "esensial" bagi manusia karena tidak dapat diproduksi dari senyawa lain oleh tubuh manusia sehingga harus dikonsumsi sebagai makanan.<br /> ;</div> </div>
asam amino dan muatan positif dan negatifnya.
Dalam urutan yang benar, asam amino bermuatan berikatan silang ke dalam apa yang disebut Hartgerink sebagai jembatan garam aksial, ikatan non-kovalen yang menyatukan heliks dengan bantuan menstabilkan ikatan hidrogen. “Sebagian besar pekerjaan yang kami lakukan pada kolagen adalah untuk menentukan pasangan muatan aksial tersebut dan kemudian menggunakannya untuk melakukan hal yang berbeda,” katanya.
Ujung heliks ini bisa tumpul atau lengket, kata Hartgerink, tergantung pada bagaimana rantai terhuyung-huyung, atau diimbangi. Offset satu asam amino bersifat tumpul dan tidak lengket sama sekali. Semakin besar offset, semakin lengket jadinya.
Makalah baru pertama oleh Hartgerink, mahasiswa pascasarjana Abihishek Jalan dan Katherine Jochim mendemonstrasikan perakitan mandiri heliks rangkap tiga ujung lengket dengan offset empat asam amino. Mereka mengizinkan para peneliti untuk mendapatkan detail struktur melalui resonansi magnetik nuklir (NMR).
“Kami memilih untuk menggunakan offset yang sangat pendek karena segera setelah kami membuatnya sedikit lebih besar, itu menjadi lebih lengket dan serat mulai terbentuk,” kata Hartgerink. “Begitu Anda memiliki serat, NMR tidak berfungsi lagi. Tetapi NMR adalah alat analitik yang masuk, dan dalam hal ini kami dapat menunjukkan pada tingkat molekuler bahwa penyeimbangan terjadi.”
Untuk makalah kedua dengan mahasiswa pascasarjana Biplab Sarkar dan mantan mahasiswa pascasarjana Lesley O’Leary, “Kami melakukan kebalikannya dan mensintesis serangkaian peptida dengan ujung lengket besar yang mendorong perakitan serat,” kata Hartgerink.
Para peneliti membuat dua kelas peptida kolagen sintetik dengan komponen kimia yang sama tetapi pengaturan yang berbeda dan menunjukkan mereka dengan ujung lengket yang luas dengan cepat merakit diri menjadi serat. Mereka dengan urutan yang tidak selaras membentuk agregat amorf atau tetap terpisah dalam larutan.
“Kami memilih untuk memuaskan para kritikus dengan membagi pekerjaan kami menjadi dua studi. Salah satunya adalah untuk menunjukkan pada tingkat molekuler bahwa pasangan bermuatan ini sangat kuat dan dapat mendorong offset semacam ini, yang belum pernah ditunjukkan sebelumnya, dan heliks yang dihasilkan berpotensi lengket,” katanya. “Kemudian, dalam studi kedua, kami membuatnya benar-benar lengket dan menunjukkan bahwa jika Anda menggunakan pasangan bermuatan dengan benar, Anda akan mendapatkan serat. Dan jika tidak, Anda tidak mendapatkan serat.
Memahami detail halus perakitan kolagen menghadirkan kemungkinan kolagen sintetik untuk fungsi tertentu, kata Hartgerink. “Sejumlah biomaterial menggunakan kolagen alami, dan ada keuntungannya jika diganti dengan kolagen sintetik,” ujarnya. “Salah satu keuntungan utamanya adalah kita menjauh dari masalah kesehatan dan peraturan yang terkait dengan penggunaan sumber hewani.”
Dia mengatakan kolagen sintetis juga dapat membantu menjawab pertanyaan penting tentang pasangan alaminya. “Kolagen adalah pemain sentral yang sangat penting dalam perilaku jaringan, tetapi bahkan beberapa gagasan paling mendasar tentang struktur kolagen telah luput dari perhatian para ilmuwan selama beberapa dekade,” katanya. “Salah satu hal yang kami kejar sekarang adalah menghasilkan perpustakaan peptida mimetik kolagen untuk mengujinya terhadap protein dan protease pengikat kolagen yang diketahui, protein yang memotong kolagen.
“Saya pikir kesulitan dalam memahami mekanisme tersebut diilustrasikan oleh fakta bahwa dibutuhkan dua makalah utuh hanya untuk menguraikannya,” kata Hartgerink. “Tetapi studi mekanistik ini akan memungkinkan kita mendorong sains ke depan dan melakukan hal-hal yang lebih praktis.”
National Science Foundation dan Robert A. Welch Foundation mendukung penelitian tersebut.
Publikasi :
- Abhishek A. Jalan, et al., “Desain Rasional dari Kolagen Triple Helix “Sticky-Ended” Non-kanonik,” J. Am. kimia Soc., 2014, 136 (21), hlm 7535–7538; DOI: 10.1021/ja5001246
- Biplab Sarkar, et al., “Perakitan Sendiri Peptida Mimetik Kolagen Pembentuk Serat yang Dikontrol oleh Nukleasi Triple-Helical,” J. Am. kimia Soc., 2014, 136 (41), hlm 14417–14424; DOI: 10.1021/ja504377s
Gambar: Atas perkenan Kelompok Riset Hartgerink
