粘液不仅是疾病的征兆,而且是人体防御疾病的重要组成部分。每天,我们的身体都会产生超过一升的滑溜物质,其表面积超过400平方米,以捕获和解除微生物入侵者的武装。
粘液是由粘蛋白制成的,粘蛋白是用糖分子修饰的蛋白质中国化工网okmart.com。许多科学家正试图创建粘蛋白的合成形式,以期复制其有益特性。在一项新的研究中,麻省理工学院的研究人员现在已经生成了具有聚合物骨架的合成粘蛋白,该聚合物骨架可以更准确地模拟天然粘蛋白的结构和功能。研究小组还表明,这些合成的粘蛋白可以有效地中和引起霍乱的细菌毒素。
麻省理工学院的诺华化学教授劳拉·基斯林(Laura Kiessling)说,这些发现可以帮助研究人员更好地了解粘蛋白的哪些特征有助于发挥不同的功能,尤其是其抗菌功能。她说,在合成粘蛋白中复制这些功能最终可能会导致治疗或预防传染病的新方法,而这种材料可能不太可能导致抗生素产生这种耐药性。
这项新研究的资深作者基斯林说:“我们真的很想了解粘蛋白的哪些特征对于它们的活性很重要,并模仿这些特征,以便您可以阻断微生物中的毒力途径。”
Kiessling的实验室与该论文的作者卡塔琳娜·里贝克(Katharina Ribbeck),马克·海曼(Mark Hyman,Jr.)的生物工程职业发展教授以及弗格森·凯斯(FG Keyes)化学荣誉教授理查德·史洛克(Richard Schrock)共同致力于该项目。该论文的主要作者是前MIT研究生Austin Kruger和MIT博士后Spencer Brucks,今天发表在ACS Central Science上。
受粘液启发
Kiessling和Ribbeck在Amar G.Bose教授研究基金的资助下,于2018年联手尝试创建粘液启发的材料。粘液的主要组成部分是粘蛋白-粘稠的长刷状蛋白,带有许多糖分子,称为聚糖。Ribbeck发现,这些粘蛋白破坏了感染细菌的许多关键功能,包括它们分泌毒素,彼此交流并附着在细胞表面的能力。
这些功能已导致许多科学家尝试生成可以帮助预防或治疗细菌感染的人工形式。然而,粘蛋白如此之大以至于很难精确复制其结构。每种粘蛋白聚合物都有一个由数千个氨基酸组成的长骨架,许多不同的聚糖可以连接到这些骨架上。
在这项新研究中,研究人员决定专注于聚合物的主链。为了尝试复制其结构,他们使用了一种称为开环易位聚合的反应。在这种类型的反应期间,将含碳环打开以形成包含碳-碳双键的线性分子。然后可以将这些分子连接在一起以形成长聚合物。
2005年,施洛克(Schrock)获得了诺贝尔化学奖,因为他的工作是开发可驱动此类反应的催化剂。后来,他开发了一种催化剂,可以特异性地产生产物的“顺式”构型。双键中的每个碳原子通常连接一个其他化学基团,在顺式构型中,这两个基团都位于双键的同一侧。在“反式”配置中,组位于相对侧。
为了制造它们的聚合物,研究人员使用了基于钨的Schrock催化剂来形成粘蛋白模拟聚合物的顺式。他们将这些聚合物与由不同的钌基催化剂生产的聚合物进行了比较,后者产生了反式。他们发现,顺式变体与天然粘蛋白非常相似-也就是说,它们形成了非常细长的水溶性聚合物。相比之下,反式聚合物形成的小球团聚在一起而不是伸展。
模拟黏蛋白
然后,研究人员测试了合成粘蛋白模仿天然粘蛋白功能的能力。研究人员发现,当暴露于霍乱弧菌产生的毒素时,细长的顺式聚合物比反式聚合物能更好地捕获毒素。实际上,合成的顺式粘蛋白模拟物甚至比天然存在的粘蛋白更有效。
研究人员还发现,它们的拉长聚合物比反式聚合物在水中的溶解度高得多,这使得它们可用于滴眼剂或皮肤保湿剂等应用。
现在他们可以创造出能够有效模仿真实事物的合成粘蛋白,研究人员计划研究当不同的聚糖连接到骨架上时粘蛋白的功能如何变化。他们希望通过改变聚糖的组成,开发出可以抑制多种微生物毒力途径的合成粘蛋白。
Kiessling说:“我们正在考虑更好地模拟粘蛋白的方法,但这项研究是了解相关内容的重要一步。”
除Bose补助金外,该研究还由美国国家生物医学成像与生物工程研究所,美国国家科学基金会以及美国过敏与传染病研究所资助。