Duke Üniversitesi ve St. Louis Washington Üniversitesi’nden biyomedikal mühendisleri, sıralı ve düzensiz bölümlerden oluşan bir solüsyondan yapılan yapay proteini enjekte ederek, vücut ısısına tepki olarak katı bir iskele oluşturduğunu ve birkaç hafta içinde dokuya sorunsuz bir şekilde entegre olduğunu kanıtladı.
Bu segmentlerin benzersiz özelliklere sahip proteinlerle birleştirilmesi; araştırmacıların doku mühendisliği ve rejeneratif tıp alanında yeni biyomateryallerin özelliklerini tam olarak kontrol etmelerini sağlayacak.
Proteinler; origami benzeri katlanarak ve spesifik biyomoleküler yapılarla etkileşerek işlev görür. Araştırmacılar daha önce proteinlerin işleyebilmesi için sabit bir şekle ihtiyaç duyduğuna inanıyorlardı. Ancak son yirmi yılda düzensiz proteinlere (IDP’ler) olan merak giderek arttı. Kıvrılmış benzerlerinin aksine, IDP’ler farklı yapılara sahip olabilirler. Bununla birlikte, bu yapısal tercihler rastlantısal değildir. Son zamanlardaki ilerlemeler, IDP’lerin amino asit sekanslarında bilgiyi benimseyebilecekleri yapı koleksiyonlarına bağlayan, iyi tanımlanmış kuralların olduğunu göstermiştir.
Araştırmacılar protein işlevindeki çok yönlülüğün “iyi katlanmış” proteinleri IDP’lerle bir araya getirerek, elde edilebileceğini varsayar. Bu çok yönlülük; düzenlenmiş ve düzensiz bölgeleri birleştiren, malzemelerin; kauçuğun elastikiyeti ve çeliğin mekanik kuvveti gibi özellikleri sergilemesini sağlayan proteinlerden yapılan kas ve ipek lifleri gibi biyolojik materyallerde doğal olarak görünür.
IDP’ler hücresel işlev için etkilidir ve birçok biyomedikal mühendis, çalışmalarını elastin olarak adlandırılan son derece faydalı bir IDP üzerinde yoğunlaştırmıştır. Vücudun her yerinde bulunan yüksek elastik bir protein olan elastin; cilt, rahim ve akciğerler gibi kan damarlarının ve organlarının, gerildikten ya da sıkıştırıldıktan sonra orijinal şekline dönmesine izin verir.
Tüm bu bilgiler ışığında elastinin vücut dışında yaratılmasının mümkün olduğu da araştırmacılar tarafından kanıtlandı. Bu yüzden araştırmacılar problemin reductionist engineering* (indirgemeci mühendislik) yaklaşımını kullanmaya karar verdiler.
Elastin kullanma zorlukları nedeniyle araştırma ekibi; elastin parçalarını taklit etmek için yapılan tamamen düzensiz proteinler olan elastin benzeri polipeptidlerle (ELP) çalıştılar. ELP’ler yararlı biyomateryallerdir. Çünkü faz değişikliklerine maruz kalabilirler. Sıcaklıktaki değişimlere tepki olarak, çözünebilir bir halden çözünmez duruma geçebilir veya tam tersi olabilirler. Bu durum, söz konusu malzemeleri; uzun süreli ilaç dağıtımı gibi uygulamalarda yararlı kılarken, sıvı benzeri davranışları, doku mühendisliği uygulamaları için etkili iskeleler olmasını engeller.
Ancak, Roberts ve ekibi; ELP’lere komutları ekleyerek, (istenilen bölgeleri kaybetmeden, proteinlerin yapısal kararlılığı ile donatılmış) sipariş edilen etki alanlarını ve düzensiz bölgeleri birleştiren “Frankenstein Proteinleri”ni yarattılar.
Vücut sıcaklığındayken oda sıcaklığında katılaşan, bir sıvı olarak tasarlanan bu yeni biyomateryaller; minimal enflamasyon ile çevredeki dokuya hızla entegre olan ve kan damarlarının oluşumunu teşvik eden; ayrıca enjekte edildiğinde de stabil, gözenekli bir iskele oluşturur.
Roberts: “Bu materyal enjeksiyon uygulamasından sonra çok stabildir. Hızlı bir şekilde bozulmaz, hacmini gerçekten iyi tutar; ki bu protein bazlı bir malzeme için sıra dışı bir özellik… Hücreler ayrıca enjekte edildiği bölgedeki dokunun yeniden doldurulmasıyla; malzemenin içinde gelişir. Tüm bu özellikler doku mühendisliği ve yara tedavisi için uygun bir alternatif olabilir.”
POP (yarı komut almış proteinler) tarafından oluşturulan iskele, kararlı olmasına rağmen, ekip; ayrıca soğutulduktan sonra malzemenin tamamen yeniden çözüleceğini gözlemledi. Dahası, oluşum ve çözünme sıcaklıkları; biyomateryalde düzensiz ve sıralı bölümlerin oranlarının kontrol edilmesiyle bağımsız olarak sağlanır. Bu bağımsız ayarlanabilirlik; istemle gelen hatıraları histerezis olarak bilinen bir fenomenle şekillendirerek, belirli sıcaklığa eriştikten sonra orijinal şekillerine dönmelerini sağlar.
Duke ekibi, sekans kodlu histerik davranışların moleküler temelini anlamak için Washington Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Profesör Edwin H. Murty; Rohit Pappu Laboratuvarı ile çalıştı. Fizik Doktoru Pappu Laboratuvarı’ndan Öğrenci Tyler S. Harmon, histerezisin; sıralı ve düzensiz bölgeler ile tek başına çözücü arasındaki diferansiyel etkileşimlerinden kaynaklandığını göstermek için, bir hesaplama modeli geliştirdi.
Ekip; ilerde, doku mühendisliğindeki potansiyel kullanımları ve yara iyileşmesini incelemek ve materyalin neden “damarlaştığını” daha iyi anlamak için hayvan modelindeki materyali incelemeyi umuyor. Bu çalışmaların etkili olması durumunda, Roberts; yeni malzemenin, bir biyoteknoloji şirketinin temelini oluşturabileceğini düşünüyor. Ayrıca bu çok yönlü malzemelerde düzenli ve düzensiz bölümler arasındaki etkileşimleri daha derin bir anlayış ile geliştirmek istiyorlar.
* İndirgemecilik, madde gibi görünmeyen şeylerin de aslında maddesel etkenlerle açıklanabileceği düşüncesidir.
