Микроскопические версии коконов, сплетенных тутовыми шелкопрядами, были изготовлены группой исследователей. Крошечные капсулы, невидимые невооруженным глазом, могут защитить чувствительные молекулярные материалы и могут оказаться важной технологией в таких областях, как пищевая наука, биотехнология и медицина.
Капсулы были изготовлены в Кембриджском университете с использованием специально разработанного процесса микроинженерии. Этот процесс в микромасштабе имитирует способ, которым тутовые шелкопряды Bombyx mori плетут коконы, из которых собирают натуральный шелк. Полученные в результате капсулы микронного размера состоят из твердой и прочной оболочки из шелковых нановолокон, которые окружают и защищают центр жидкого груза, и более чем в тысячу раз меньше, чем капсулы, созданные шелковыми червями..
Написав в журнале Nature Communications, команда предполагает, что эти «микрококоны» являются потенциальным решением общей технологической проблемы: как защитить чувствительные молекулы, которые потенциально полезны для здоровья или питания, но могут легко разлагаться и терять эти свойства. благоприятные качества при хранении или переработке.
Исследование утверждает, что закрытие таких молекул в защитном слое шелка может быть ответом, и что шелковые микрококоны, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть (или попробовать на вкус), можно использовать для размещения крошечных частиц полезного молекулярного «груза». в различных продуктах, таких как косметика и продукты питания.
Та же технология может быть использована в фармацевтике для лечения широкого спектра тяжелых и изнурительных заболеваний. В ходе исследования исследователи успешно показали, что шелковые микрококоны могут увеличить стабильность и продолжительность жизни антитела, которое действует на белок, связанный с нейродегенеративными заболеваниями.
Работу выполнила международная команда ученых из университетов Кембриджа, Оксфорда и Шеффилда в Великобритании; Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе, Швейцария; и Институт науки Вейцмана в Израиле. Исследование проводилось под руководством профессора Туомаса Ноулза, члена колледжа Святого Иоанна в Кембриджском университете и содиректора Центра болезней, связанных с неправильным свертыванием белков.
«Общей проблемой в ряде областей, имеющих большое практическое значение, является наличие активных молекул, которые обладают полезными свойствами, но которые сложно стабилизировать для хранения», - сказал Ноулз. «Концептуально простое, но мощное решение - поместить их в крошечные капсулы. Такие капсулы, как правило, изготавливаются из синтетических полимеров, которые могут иметь ряд недостатков, и недавно мы исследовали возможность использования для этой цели полностью натуральных материалов. Для этой цели существует возможность заменить пластмассы устойчивыми биологическими материалами, такими как шелк».
Доктор. Ульяна Шиманович, которая выполнила большую часть экспериментальной работы в качестве постдокторского научного сотрудника колледжа Святого Иоанна, сказала: «Шелк - фантастический пример натурального структурного материала. насколько мы могли формировать его по нашему дизайну, который намного меньше, чем коконы из натурального шелка».
Доктор. Крис Холланд, коллега и глава группы натуральных материалов в Шеффилде, добавил: «Шелк удивителен, потому что, пока он хранится в жидком состоянии, прядение превращает его в твердое тело. Это достигается за счет растяжения белков шелка, когда они стекают по ткани. микроскопическая трубка внутри тутового шелкопряда."
Чтобы имитировать это, исследователи создали крошечный искусственный канал для прядения, который копирует естественный процесс прядения, заставляя непряденый шелк формироваться в твердое тело. Затем они придумали, как управлять геометрией этой самосборки, чтобы создавать микроскопические оболочки.
Изготовление обычных синтетических капсул может быть сложной задачей экологически безопасным способом и из биоразлагаемых и биосовместимых материалов. Шелк не только легче производить; он также биоразлагаем и требует меньше энергии для производства.
«Натуральный шелк уже используется в таких изделиях, как хирургические материалы, поэтому мы знаем, что он безопасен для человека», - сказал профессор Фриц Фоллрат, глава Oxford Silk Group. «Важно, что подход не меняет материал, а только его форму».
Шелковые микрококоны также могут расширить диапазон и срок годности белков и молекул, доступных для фармацевтического применения. Поскольку технология может сохранять антитела, которые в противном случае деградировали бы, в коконах со стенками, которые могут растворяться со временем, она может позволить разработать новые методы лечения рака или нейродегенеративных состояний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.
Чтобы изучить жизнеспособность шелковых микрокапсул в этом отношении, исследователи успешно протестировали микрококоны с антителом, которое было разработано для действия на альфа-синуклеин, белок, который, как считается, дает сбой в начале молекулярного процесса. приводит к болезни Паркинсона. Это исследование было проведено при поддержке Кембриджского центра болезней неправильного складывания, чья исследовательская программа сосредоточена на поиске способов профилактики и лечения нейродегенеративных состояний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона..
«Некоторыми из самых эффективных и самых продаваемых терапевтических средств являются антитела», - сказал Микеле Вендрусколо, содиректор Кембриджского центра болезней неправильной укладки.«Однако антитела, как правило, склонны к агрегации при высоких концентрациях, необходимых для доставки, а это означает, что их часто списывают для использования в лечении или их необходимо модифицировать для обеспечения стабильности».
«Содерживая такие антитела в микрококонах, как мы сделали здесь, мы могли бы значительно увеличить не только их продолжительность жизни, но и диапазон имеющихся в нашем распоряжении антител», - сказал Ноулз. «Мы очень воодушевлены возможностями использования возможностей микрофлюидики для создания совершенно новых типов искусственных материалов из полностью натуральных белков».