Abduktin
Abduktin är ett naturligt förekommande elastomert protein som finns i gångjärnsligamentet hos musslor . Den är unik eftersom den är den enda naturliga elastomeren med komprimerbar elasticitet, jämfört med resilin, spindelsilke och elastin. Dess namn föreslogs från det faktum att det fungerar som bortförande av ventilerna hos musslor.
Abduktinets egenskaper varierar mellan arter av musslor beroende på det specifika användningsfallet för arten eller miljön arten finns i. Trots dessa skillnader har samma allmänna funktion att agera mitt emot abduktormusklerna, där resilinet tvingar skal till en öppen konfiguration.
Även om patent för en specifik proteinsekvens av abduktin godkändes av USA:s patent- och varumärkesmyndigheter, finns det ingen storskalig kommersiell användning för abduktin i april 2022.
Strukturera
Aminosyrasammansättning
Aminosyrasammansättningen av protein i det inre gångjärnsligamentet hos musslor upptäcktes först av Robert E. Kelly och Robert V. Rice 1967, som därefter föreslog proteinets namn som abduktin. Detta härleddes från dess funktion som bortförare av skal av musslor. Kelly och Rice upptäckte att proteinet saknade närvaron av hydroxyprolin och hydroxylysin, som är aminosyror som tyder på det vanliga proteinet, kollagen. Ytterligare analys visade att abduktin består av tre framträdande aminosyror: glycin, metionin och fenylalanin, som är ordnade i flera upprepade sekvenser genom hela molekylen. Detta hittades i Placopecten magellanicus. Abduktin liknar elastin och resilin, men har en huvudskillnad med höga koncentrationer av glycin och metionin. Glycinet och metioninet och andra aminosyrarester varierar i koncentration med olika arter. I Argopecten irradians, till exempel, utgör glycin och metionin 57,3 % respektive 14,3 % av proteinet. Den höga koncentrationen av metionin som finns i abduktin gör det unikt eftersom det inte är en vanlig förekomst i naturliga elastomera proteiner.
Proteinstruktur
Peptidsekvenser såsom MGGG, FGGMG, FGGMGGG, GGFGGMGGG och FGGMGGGGNAG upprepas genom hela peptidkedjan. Det är att notera att dessa peptidsekvenser alla innehåller glycin. Dessutom, i Argopecten irradians, upprepas pentapeptiden FGGMG genom hela molekylen. Den huvudsakliga peptidsekvensegenskapen hos abduktin är närvaron av många upprepade sekvenser, som alla innehåller glycinrester. Detta liknar strukturen hos elastin.
Abduktin är lätt tvärbundet, vilket ger det dess höga elasticitet. Källan till tvärbindning har undersökts, men ingen konkret förklaring har utarbetats. Bristen på tyrosin i peptidkedjan tyder på att tvärbindningar inte bildas genom dityrosinlänkar , som det är i resilin. Hypoteser om mekanismen för tvärbindning har föreslagits av olika forskare. En potentiell källa till tvärbindning beror på närvaron av en metionindimer, ½ cystin i vissa arter, eller andra liknande aminosyror som innehåller en disulfidbrygga, som skapar tvärbindningen mellan peptidkedjorna. En annan studie upptäckte att 3,3'-metylen-bistyrosin kan vara ansvarig för tvärbindningen i abduktin, liknande hur tyrosin- och lysinrester är ansvariga för tvärbindningen i resilin och elastin.
Abduktin är acellulärt och amorft struktur, som upptäckts genom mikroskopi respektive röntgendiffraktion. Eftersom abduktin är olösligt och dess isolering från gångjärnsligamentet är svårt, saknas forskning kring dess struktur på proteinnivå, såsom sekundära och hierarkiska strukturer. Nyare forskning om syntetiska peptider härledda från abduktin visade sig ha polyprolin II helixstruktur i vattenlösningar och typ II β-turn struktur i hydrofoba lösningsmedel. Kombinationer av båda strukturerna kan också observeras för längre abduktinliknande peptidkedjor.
Biologisk funktion
Användningen av abduktin varierar mellan de olika arterna av blötdjur i världen. Vissa, som pilgrimsmusslor och filskal, kan simma med en upprepad rörelse för att öppna och stänga skalet, vars rörelse snabbt suger in och driver ut vatten. Hos andra arter av blötdjur är förekomsten av abduktin vanligtvis lokaliserad där de två skalen möts för att bilda ett gångjärn. Till skillnad från kammusslors behov för effektiv energiåterföring i rörelsesyfte, finner arter som Apylsia det nödvändigt att minska energiåtergången till förmån för stabilitet vid öppning och stängning av skalen. Abduktin kan hittas i resiliumstrukturen, som används för att lagra mekanisk energi för detta ändamål. Effektiviteten av abduktin påverkas i hög grad av de morfologiska aspekterna av blötdjurets skal, såsom dess storlek och form. Andra influenser på abduktinets prestanda i blötdjur är temperatur, där det sker en minskning av prestanda när temperaturen i den omgivande miljön minskar, och närvaron av oktopin - som fungerar som en analog till mjölksyra hos däggdjur. Implementeringen av musslans resiliumstruktur kan modelleras som ett oscillerande system, där det verkar mot abduktormuskeln för att öppna organismens skal; resiliumet tvingar upp skalet medan abduktormuskeln kontrollerar skalets stängning.
Materialegenskaper
Lite data finns om strukturen och funktionen av komprimerbara elastomera proteiner såsom abduktin. En förståelse för de underliggande strukturella egenskaperna hos dessa proteiner kan leda till utvecklingen av en ny klass av mycket skräddarsydda "komprimerbara" hydrogeler. Att få kunskap om de underliggande strukturella och funktionella egenskaperna hos komprimerbara naturliga elastomerer, såsom abduktin, kan leda till nya komprimerbara bioelastomerer med skräddarsydda materialegenskaper.
Löslighet
Genom att tolka Hurst-exponenter som Flory blir vatten ett dåligt lösningsmedel för abduktinpeptiderna. Att förutsäga den funktionella lösningsmedelsmiljön för olösliga proteiner som abduktin är särskilt svårt eftersom proteinets hydrofobicitet och den troliga tvärbundna naturen antyder en mindre polär inre miljö än det omgivande lösningsmedlet.
Gestaltning
Förekomsten av både förlängda konformationer (PPII) och vikta konformationer (β-varv) i jämvikt för att beskriva abduktin har tidigare föreslagits. Circular Dichroism (CD)-spektra avslöjade att AMP1 (en abduktinsekvens på 25 aminosyror) antar en dominant oordnad konformation vid 258 °C och en polyprolin II (PPII)-konformation vid 0 °C och 458 °C med en möjlig mindre mängd av typ II β-varvskonformatorer. Denna observation indikerar att AMP1 genomgår en omvänd temperaturövergång genom att den går från en dominant oordnad konformation till en periodisk, utökad PPII-konformation med ökande temperatur. Abduktinets sekundära struktur undersöktes också genom kärnmagnetisk resonans (NMR) och CD-studier av flera syntetiska peptider. De flesta syntetiska abduktinbaserade peptider antog polyprolin II (PPII) strukturer, som är vänsterhänta spiraler, i vattenlösning, medan de hade typ II β-varv i trifluoretanol (TFE), som är ett mer hydrofobt (mindre polärt) lösningsmedel. Samexistensen av PPII och typ II β-svängar och temperaturinducerade multikonformationella övergångar observerades med längre syntetiska abduktinliknande peptider såsom (FGGMGGGGNAG)4 i hexafluorisopropanol (HFIP). Den sekundära strukturen av AB12 analyserades kvalitativt genom att jämföra CD-spektra med andra peptider med kända sekundära strukturer. CD-spektra för vattenlösningar av AB12 visar en stark negativ topp vid 200 nm och en tendens till positiva värden vid ~218 nm, vilket är egenskaper hos PPII-spiraler. En isodikroisk punkt vid ~208 nm antyder att det finns en jämvikt mellan PPII-strukturen och andra konformationer. Dessutom, eftersom toppen vid 218 nm aldrig överstiger noll, antyder spektra samexistensen av oordnade strukturer och PPII-helixar. Ett litet negativt band kan observeras vid ~225 nm, vilket sannolikt är ett resultat av den aromatiska resten, fenylalanin, i sekvensen.
Temperatur
Temperaturens inverkan på sekundärstrukturen studerades. Med ökande temperatur minskade storleken på båda topparna i CD-spektra vid 200 och 218 nm, vilket är typiskt för PPII-helixkonformationer. Dessutom var förändringen i strukturen på grund av temperaturen helt reversibel och visade ingen hysteres. PPII-konformationen, som är allmänt närvarande i elastomera proteiner såsom elastin och titin, tros spela en viktig roll för att bestämma elasticiteten hos dessa proteiner. Det abduktinbaserade proteinet hade ett reversibelt beteende för Upper Critical Solution Temperature (UCST) och bildade en gelliknande struktur. Vid höga temperaturer visade den irreversibelt aggregeringsbeteende. Termisk känslighet är en användbar egenskap för att konstruera läkemedelsavgivningssystem eftersom inkapslingen och frisättningen av läkemedel lätt kan kontrolleras via temperaturförändringar.
Cytokompatibilitet
Det abduktinbaserade proteinet var cytokompatibelt och celler spreds långsamt när de först såddes på det abduktinbaserade proteinet. En LIVE/DEAD-analys avslöjade att humana endotelceller från navelvenen hade en livsduglighet på 98 ± 4 % efter att ha odlats i två dagar på det abduktinbaserade proteinet. Initial cellspridning på det abduktinbaserade proteinet liknade den på bovint serumalbumin. Dessa studier visar således potentialen hos abduktinbaserade proteiner i vävnadsteknik och läkemedelsleveransapplikationer på grund av cytokompatibiliteten och dess respons på temperatur.
Drag- och tryckmoduler
Naturligt abduktin har en dragmodul på 1,25 MPa, vilket är högre än elastin (0,3−0,6 MPa) men i samma storleksordning som resilin (0,6−2 MPa). Den har en kompressionsmodul på 4 MPa, vilket är högre än resilin (0,6−0,7 MPa). De överlägsna mekaniska egenskaperna hos naturligt abduktin erbjuder potentialen för att designa proteinbaserade biomaterial som kan användas i ett bredare antal tillämpningar.
Hydrodynamisk volym och temperatursamband
En lösning av AB12 (10 mg/ml i Milli-Q-vatten) observerades visuellt förvandlas från transparent till ogenomskinlig när den kyldes från rumstemperatur till lägre temperaturer (inkuberad på is). Dynamisk ljusspridning (DLS) användes för att ytterligare undersöka temperaturkänsligheten hos AB12. En abrupt minskning av den hydrodynamiska diametern (DH) för AB12 observerades när proteinlösningen värmdes från 2 till 5 °C. Detta fenomen är en indikation på Upper Critical Solution Temperature (UCST) beteende. Förändringen i DH vid låga temperaturer var reversibel och visade viss hysteres. En måttlig ökning av DH observerades från 35 °C, och en kraftigare ökning av DH inträffade med början vid 57 °C (aggregationstemperatur). Jämfört med det reversibla UCST-beteendet var övergången som inträffade vid aggregationstemperaturen irreversibel.
Utökat-vikt beteende
I fallet med abduktin, vid kompression, bör jämvikten utsträckt ⇄ veckad flyttas till de vikta strukturerna, vilket minskar entropin. Det okomprimerade, multikonformationella tillståndet återvinns genom en enkel ökning av entropin efter avlägsnandet av kompressionskraften. Detta är motsatsen till elastins beteende.
Tekniska tillämpningar
Det första patentet som är tillägnat användningen och implementeringen av abduktin accepterades av USA:s patent- och varumärkesmyndighet den 3 oktober 2000 (patent nr 6 127 166). Patentet i fråga beskriver den specifika proteinsekvensen av abduktin som ska tillverkas på biologisk väg och de möjliga tillämpningarna av polymeren, vilket tyder på möjliga användningar som en sampolymer för andra naturligt förekommande polymerer, ett tygmaterial eller ett material som binder med antikroppar. Från och med april 2022 har det inte förekommit storskalig produktion eller applicering av polymerer som härrör från abduktin eller relaterade polymersekvenser.