Bioinspiriertes Proteinsystem als smarter Klebstoff für Unterwasseranwendungen
US-amerikanische Forscher haben sich der Herausforderung gestellt, Klebstoffe zu entwickeln, die unter Wasser aufgetragen werden können und starke Bindungen erzeugen.
Wenn der Klebstoff für biomedizinische Anwendungen vorgesehen ist, müssen weitere Kriterien wie Biokompatibilität erfüllt sein. Aktuelle biomedizinische Klebetechnologien erfüllen diese Anforderungen nicht.
Designprinzipien aus marinen Organismen
In Reaktion darauf haben die Wissenschaftler der Purdue University ein bioinspiriertes Proteinsystem entwickelt, das verspricht, eine biokompatible Unterwasserhaftung mit umweltfreundlichem Verhalten zu erreichen, das smart ist – d. h. es kann auf eine spezifische Anwendung abgestimmt werden. Das Material ELY16 ist aus einem Elastin-ähnlichen Polypeptid (ELP) aufgebaut, das in hohen Ausbeuten aus Escherichia coli produziert wird und als Reaktion auf Umgebungsfaktoren wie Temperatur, pH und Salzgehalt Koazervate bildet. Um eine Nasshaftung zu erzielen, verwendeten die Forscher Designprinzipien aus marinen Organismen wie Muscheln und Sandburgenwürmern.
Abstimmbares Phasenübergangsverhalten
Wenn es exprimiert wird, ist ELY16 reich an Tyrosin. Nach Modifizierung mit dem Tyrosinase-Enzym zu mELY16 wurden die Tyrosinreste in 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) umgewandelt. Sowohl ELY16 als auch mELY16 zeigten Cytokompatibilität und eine signifikante Trockenhaftfestigkeit (> 2 MPa). Die Modifizierung mit DOPA erhöhte die Proteinadsorption gegenüber Glas und sorgte für eine mäßige Haftfestigkeit (~ 250 kPa) in hochfeuchter Umgebung. Darüber hinaus zeigte ELP ein abstimmbares Phasenübergangsverhalten, das so formuliert werden kann, dass es unter physiologischen Bedingungen Koazervate bildet und damit einen geeigneten Mechanismus für die Anwendung unter Wasser bietet.
Großes Potenzial als smarter Unterwasserklebstoff
mELY16 besitzt eine signifikant höhere Haftfestigkeit in Trocken-, Feucht- und Unterwasserumgebungen im Vergleich zu einem handelsüblichen Fibrindichtmittel. mELY16 liefert die stärksten Bindungen eines rational entworfenen Proteins, wenn es vollständig unter Wasser verwendet wird, und seine hohen Ausbeute macht es für kommerzielle Anwendung im Vergleich zu natürlichen Klebstoffproteinen lebensfähiger. Abschließend zeigt ELP großes Potenzial, ein neuer smarter Unterwasserklebstoff zu sein.
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