Мельчайшие кристаллы льда, образующиеся при заморозке, вызывают так называемый «морозный ожог», который портит структуру и вкус продуктов, например, мороженого. В медицине эта проблема стоит еще острее: ледяные частицы разрушают клеточную структуру биологических препаратов при длительном хранении, снижая их эффективность. Яркий пример — жизненно важное лекарство для лечения рака Трастузумаб, созданное на основе моноклональных антител и нацеленное на ген HER2, который часто активизируется на ранних стадиях рака молочной железы.
Природа давно нашла решение этой проблемы. В крови полярных рыб, в частности арктической трески (Boreogadus saida), содержатся природные белки-антифризы — полипептиды, которые не дают крови замерзнуть в ледяной воде. На протяжении многих лет ученые не могли использовать эти свойства, поскольку прямое извлечение белков из рыбы было экономически невыгодным и не поддавалось масштабированию для массового производства.
Прорыв совершили исследователи из Университета Юты при финансовой поддержке Национального научного фонда. В журнале Advanced Materials они опубликовали результаты своей работы: создание синтетического аналога антифризных полипептидов рыбы. Ключевая особенность инновации заключается в том, что вещество создано «полностью с помощью химии — без участия рыб или клеток».
В основе разработки лежит упрощение молекулярной структуры природного белка. Ученые, опираясь на предыдущие исследования, выделили ключевые химические и физические компоненты, отвечающие за антифризные свойства, и удалили все второстепенные элементы. В результате осталась только важнейшая часть, отвечающая за антикоагулянтный эффект, что сделало производство «менее сложным и дорогим».
Механизм действия синтетических полипептидов идентичен природному. Молекулы связываются с поверхностью кристаллов льда и активно подавляют их дальнейший рост, предотвращая повреждение структуры продукта или препарата.
Эффективность разработки была проверена на двух ключевых продуктах. Мороженое, в которое добавили полипептиды, сохранило свою структуру при температуре до -4 градусов по Фаренгейту (-20 °C). В то же время препарат Трастузумаб оставался стабильным при экстремально низкой температуре в -323 градуса по Фаренгейту (-197 °C).
Команда провела тесты, подтвердившие полную безопасность вещества для человека. Синтетические полипептиды нетоксичны для клеток и полностью усваиваются организмом при пищеварении. Это выгодно отличает их от автомобильного антифриза, который производится из токсичного этиленгликоля.
С практической точки зрения разработка обладает значительными преимуществами для промышленного производства. Полипептиды устойчивы к повторному нагреву, что крайне важно для пищевой промышленности. Сами материалы описываются как «ультрадешевые», а производственный процесс — как «относительно быстрый и экологичный».
Соавтор исследования, биохимический инженер Томас МакПарлтон, и его коллега Дженнифер Крамер утверждают, что созданные полипептиды «привлекательны для широкого применения» в биомедицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, производстве покрытий и многих других сферах.
В настоящее время команда исследователей из Университета Юты занимается патентованием своего изобретения. Следующим шагом станет масштабирование производства для удовлетворения потенциального спроса со стороны различных отраслей.
Изображение носит иллюстративный характер
Природа давно нашла решение этой проблемы. В крови полярных рыб, в частности арктической трески (Boreogadus saida), содержатся природные белки-антифризы — полипептиды, которые не дают крови замерзнуть в ледяной воде. На протяжении многих лет ученые не могли использовать эти свойства, поскольку прямое извлечение белков из рыбы было экономически невыгодным и не поддавалось масштабированию для массового производства.
Прорыв совершили исследователи из Университета Юты при финансовой поддержке Национального научного фонда. В журнале Advanced Materials они опубликовали результаты своей работы: создание синтетического аналога антифризных полипептидов рыбы. Ключевая особенность инновации заключается в том, что вещество создано «полностью с помощью химии — без участия рыб или клеток».
В основе разработки лежит упрощение молекулярной структуры природного белка. Ученые, опираясь на предыдущие исследования, выделили ключевые химические и физические компоненты, отвечающие за антифризные свойства, и удалили все второстепенные элементы. В результате осталась только важнейшая часть, отвечающая за антикоагулянтный эффект, что сделало производство «менее сложным и дорогим».
Механизм действия синтетических полипептидов идентичен природному. Молекулы связываются с поверхностью кристаллов льда и активно подавляют их дальнейший рост, предотвращая повреждение структуры продукта или препарата.
Эффективность разработки была проверена на двух ключевых продуктах. Мороженое, в которое добавили полипептиды, сохранило свою структуру при температуре до -4 градусов по Фаренгейту (-20 °C). В то же время препарат Трастузумаб оставался стабильным при экстремально низкой температуре в -323 градуса по Фаренгейту (-197 °C).
Команда провела тесты, подтвердившие полную безопасность вещества для человека. Синтетические полипептиды нетоксичны для клеток и полностью усваиваются организмом при пищеварении. Это выгодно отличает их от автомобильного антифриза, который производится из токсичного этиленгликоля.
С практической точки зрения разработка обладает значительными преимуществами для промышленного производства. Полипептиды устойчивы к повторному нагреву, что крайне важно для пищевой промышленности. Сами материалы описываются как «ультрадешевые», а производственный процесс — как «относительно быстрый и экологичный».
Соавтор исследования, биохимический инженер Томас МакПарлтон, и его коллега Дженнифер Крамер утверждают, что созданные полипептиды «привлекательны для широкого применения» в биомедицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, производстве покрытий и многих других сферах.
В настоящее время команда исследователей из Университета Юты занимается патентованием своего изобретения. Следующим шагом станет масштабирование производства для удовлетворения потенциального спроса со стороны различных отраслей.
