Forskare vid KTH och det tyska forskningscentret DESY har lyckats spinna trådar av proteiner som kommer från komjölk. Nya biomaterial med medicinska tillämpningar skulle kunna vara ett framtida användningsområde. Enligt KTH-forskaren Christofer Lendel kan dock möjligheterna att använda forskningsframsteget till olika material vara snudd på oändliga.

Illustrationen visar hur fibriller, det vill säga nanometerstora fibrer, ser ut. Bild: DESY/Eberhard Reimann

Naturen har valt proteiner som byggstenar till flera typer av fascinerande material, till exempel silke, muskler och spindeltråd. Forskare har under en längre tid studerat materialen för att förstå hur de är uppbyggda.
– Om vi kan lära oss tillverka liknande material på syntetisk väg skulle det bana väg för nya framsteg inom flera områden, exempelvis regenerativ medicin och miljövänliga alternativ till plastmaterial, säger Christofer Lendel, forskare på avdelningen tillämpad fysikalisk kemi vid KTH.
Nyckeln till att lyckas med detta är att lära sig hur dessa material kan byggas på ett välordnat sätt på alla strukturnivåer, från enskilda molekyler till betydligt större makroskopiska strukturer. I naturen sker detta genom evolutionärt optimerade proteinmolekyler och komplexa biologiska maskinerier.
– För att lyckas har vi nyttjad den inneboende förmågan hos proteinmolekyler att under vissa förhållanden spontant bilda välordnade nanometertjocka så kallade fibriller, det vill säga nanometerstora fibrer. Dessa fibriller har visat sig ha imponerande mekaniska egenskaper och näst intill oändliga möjligheter till funktionalisering. Den stora utmaningen har varit hur man kan sammanfoga dessa byggstenar på ett ordnat sätt så att de bildar makroskopiska material.
Som exempel på vad man kan använda fibrillerna till nämner Christofer Lendel bindning av färgämnen för användning i LED:s, mineralisering för artificiell benvävnad och att kombinera med andra proteiner från musslor för att skapa starkt undervattenslim.
I studien använder forskarna nanofibriller tillverkade från vanligt mjölkprotein, närmare bestämt vasslepulver, men i princip vilken proteinråvara som helst kan användas.
– Förutom att tillverka de pyttesmå fibrerna har vi även lyckas använda en förenklad apparatur för att sammanfoga dessa till mikrometertjocka trådar. Denna teknik påminner en del om hur spindlar tillverkar sina trådar. Det är, så vitt vi vet, första gången som man har lyckats tillverka en sammanhållande tråd av nanofibriller baserade på protein. Processen är också helt befriad från otäcka kemikalier och lösningsmedel.
Christofer Lendel tillägger att detta är ett genombrott inom forskningsområdet och har gett forskarna en ny förståelse för hur de ska kunna kopiera naturens sätt att tillverka högpresterande material.
– Studien visar också på möjligheten till storskalig produktion då vi använt en relativt oren råvara och en enkel process.
Resultaten från forskarnas experiment innehöll också en överraskning. Det visade sig nämligen att förmågan hos trådarna att hålla ihop är en balans mellan ordnad intern struktur hos nanofibrillerna och deras böjlighet när de bildar nätverk.
– Att proteiner helt utan nanostruktur inte kunde sammanfogas till trådar var ganska väntat. Men tvärtemot vad vi hade förväntat oss gav styva fibriller med mer imponerande mekaniska egenskaper svagare trådar än de från mer böjliga nanofibriller. Detta skulle kunna vara en förklaring till varför ingen lyckats med detta tidigare.
Fibriller är elektronmikroskopiskt små trådliknande strukturer, fibrer. De är några nanometer tjocka. En del fibriller kan bestå av proteiner, andra av kolhydrater, exempelvis cellulosa. Muskelfibrer består till exempel av buntar av små proteinfibriller.
Forskarna har precis fått artikeln ”Flow-assisted assembly of nanostructured protein microfibers” publicerad i den vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
KTH

Filed under: SvenskTeknik