Syntetický proteín z rybej krvi bráni zamŕzaniu potravín a liekov
Nový syntetický proteín, inšpirovaný prírodou, má potenciál predĺžiť trvanlivosť mrazených potravín a zlepšiť skladovanie životne dôležitých biologických liečiv.
Vedci z University of Utah vyvinuli syntetickú verziu proteínu z krvi rýb žijúcich v polárnych vodách, ktorá zabraňuje tvorbe ľadových kryštálov a tým chráni potraviny a lieky pred poškodením mrazom.
Problém s ľadovými kryštálmi, ktoré vznikajú pri nízkych teplotách, pozná každý, kto zažil spálené potraviny v mrazničke. Tieto kryštály však neničia len textúru zmrzliny. Na mikroskopickej úrovni môžu poškodiť štruktúru živých buniek alebo biologických liekov, ako sú enzýmy a protilátky, ktoré je potrebné prepravovať pri teplotách pod bodom mrazu.
Bežné nemrznúce zmesi, ako etylénglykol, sú toxické a preto nevhodné pre potraviny a lieky. Vedci sa preto inšpirovali prírodou: ryby žijúce v polárnych vodách majú v krvi proteíny, ktoré ich chránia pred zamrznutím.
Výskumníci z John and Marcia Price College of Engineering na University of Utah teraz vyvinuli spôsob, ako vytvoriť zjednodušenú, syntetickú verziu tohto proteínu. Je dostatočne jednoduchá na hromadnú výrobu, no zároveň dostatočne účinná na to, aby zabránila tvorbe ľadových kryštálov pri nízkych teplotách.
Komentár redakcie: Výskum syntetických proteínov s nemrznúcimi vlastnosťami predstavuje významný krok vpred pre potravinársky a farmaceutický priemysel. Potenciálna aplikácia tejto technológie by mohla výrazne znížiť straty spôsobené poškodením mrazom a zlepšiť dostupnosť životne dôležitých liekov.
Účinnosť syntetických polypeptidov bola demonštrovaná na reálnych prípadoch, vrátane zmrzliny a protirakovinového lieku Trastuzumab. Zmrzlina bola úspešne schladená na -20°C, zatiaľ čo Trastuzumab prežil teploty až do -197°C.
Štúdia, financovaná National Science Foundation, bola publikovaná v časopise Advanced Materials. Viedli ju Jessica Kramer, docentka na Katedre biomedicínskeho inžinierstva, a Thomas McParlton, študent jej laboratória.
Už desaťročia vedci skúmajú prirodzene sa vyskytujúce nemrznúce proteíny, ktoré sa nachádzajú v niektorých polárnych rybách, ako aj v niektorých druhoch hmyzu a rastlín. Avšak extrahovanie zmysluplného množstva týchto proteínov z živých organizmov je pre komerčné využitie nepraktické. Sú tiež náchylné na kontamináciu alergénmi.
Kramer a jej kolegovia sa preto zamerali na určenie presných fyzikálnych a chemických vlastností týchto proteínov, ktoré sú zodpovedné za ich nemrznúce schopnosti. Predchádzajúce štúdie, publikované v Chemistry of Materials a Biomacromolecules, preukázali štrukturálne vlastnosti, ktoré sú najkritickejšie u prirodzene sa vyskytujúcich proteínov.
"Nakoniec sme štruktúru zjednodušili len na tie časti, o ktorých sme si mysleli, že sú potrebné pre nemrznúcu aktivitu, čo zjednodušuje a zlacňuje výrobu," povedala Kramer. "Napriek týmto zmenám táto štúdia ukázala, že naše mimikry sa viažu na povrch ľadových kryštálov a inhibujú rast kryštálov, rovnako ako prírodné nemrznúce proteíny."
"Najlepšie zo všetkého," povedal McParlton, "vyrábame tieto mimikry výlučne pomocou chémie – nie sú potrebné žiadne ryby ani bunky."
Ako dôkaz konceptu výskumníci preukázali, že molekuly mimikry nie sú toxické pre ľudské bunky, sú stráviteľné enzýmami ľudského čreva a môžu prežiť zahrievanie, čo je kritický faktor pre ich potenciál v potravinárskej výrobe. Taktiež vykonali testy na citlivých enzýmoch a protilátkach, ktoré ukázali, že mimikry ich chránia pred poškodením spojeným s cyklami zmrazovania/rozmrazovania.
"Ukázali sme tiež, že môžeme inhibovať ľadové kryštály v zmrzline, čo sa často stáva počas prepravy alebo keď ľudia vyberajú kartón z mrazničky a vkladajú ho späť," povedala Kramer.
Výskumníci si predstavujú, že ich molekuly mimikry umožnia širokú škálu aplikácií, od predĺženia trvanlivosti mrazených potravín až po zlepšenie skladovania a prepravy biologických liečiv. Technológia je v súčasnosti patentovaná a tím pracuje na uvedení svojej inovácie na trh prostredníctvom novej startupovej spoločnosti Lontra Bio LLC, ktorej cieľom je komercializovať tieto syntetické nemrznúce proteíny.
Tieto zistenia, nazvané "An Ultrapotent, Ultraeconomical, Antifreeze Polypeptide," boli publikované 28. augusta v časopise Advanced Materials. Medzi spoluautormi sú členovia laboratória Kramer Charles Osborne, Ke Wang a Rachel Detwiler a Konrad Meister, odborný asistent chémie na Boise State University. Táto práca bola podporená grantom National Science Foundation DMR-2300012.
