Текстильная и мясоперерабатывающая промышленность ежегодно производят миллиарды тонн отходов в виде перьев, шерсти и волос, богатых кератином — прочным волокнистым белком, который содержится в волосах, коже и ногтях.
Превращение всех этих отходов животного происхождения в полезные продукты — от перевязочных материалов до экологически чистого текстиля и экстрактов для здоровья — стало бы благом для окружающей среды и для новых устойчивых отраслей. Но переработка белков — сложная задача: для разрушения белков на составные части обычно требуются едкие химические вещества на крупных загрязняющих предприятиях, что делает любой экономически эффективный протокол недоступным.
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) обнаружили ключевые фундаментальные химические процессы, связанные с денатурацией таких белков, как кератин, в присутствии определённых соединений солей. Это открытие может вывести переработку белков на новый уровень.
Команда под руководством Кита Паркера, профессора биоинженерии и прикладной физики в SEAS, объединила эксперименты и молекулярное моделирование, чтобы лучше понять химические механизмы, с помощью которых соли вызывают денатурацию белков.
Они показали, что раствор концентрированного бромида лития, соединения соли, известного тем, что он разрушает кератин, взаимодействует с молекулами белка совершенно неожиданным образом — не связываясь с белками напрямую, как считалось ранее, а изменяя структуру окружающих молекул воды, чтобы создать условия, более благоприятные для спонтанного разворачивания белков.
Это открытие позволило исследователям разработать более мягкий и устойчивый процесс экстракции кератина, легко отделяя белок из раствора без необходимости использования агрессивных химикатов. Процесс также можно обратить вспять с помощью той же смеси солей, что позволяет восстанавливать и повторно использовать денатуранты бромида лития.
Исследование опубликовано в Nature Communications и также представлено в блоге Behind the Paper.
Первый автор Ичонг Ван, аспирант химического факультета, работающий в группе Паркера, сказал, что исследование основано на давнем интересе лаборатории к разработке кератиновых биоматериалов с памятью формы для биомедицинских применений.
Ранее они наблюдали, что кератин, извлечённый из растворителей бромида лития, может образовывать густые, поддающиеся формовке гели, которые легко отделяются от окружающего раствора и почти сразу затвердевают при помещении обратно в воду. Хотя это было полезно, они сочли такое поведение странным и захотели лучше его понять.
«Мы подумали, что между нынешним механистическим пониманием того, как работает денатурация, и тем, что мы видели, может быть разрыв», — сказал Ван. «Именно тогда мы очень заинтересовались самим механизмом, чтобы увидеть, сможем ли мы оптимизировать наши процедуры экстракции, лучше объяснив это явление».
Чтобы копнуть глубже, команда обратилась к лаборатории профессора Евгения Шахновича на факультете химии и химической биологии, специалист которого занимается биофизикой белков. Моделирование молекулярной динамики под руководством соавтора Цзюньлан Лю позволило им увидеть, что бромиды лития вообще не действуют на белки, а скорее на воду вокруг них.
Оказывается, ионы бромида лития заставляют молекулы воды переходить в две разные популяции — обычную воду и молекулы воды, которые оказываются в ловушке ионов соли. По мере уменьшения объёма обычной воды белки начинают разворачиваться из-за термодинамического сдвига в окружающей среде, а не разрываются напрямую, как при других методах денатурации.
«Делать воду менее похожей на воду позволяет белку разворачиваться самому», — сказал Ван. У них были аналогичные результаты при тестировании более простых белков, таких как фибронектин, что указывает на универсальный механизм.
Лучшее понимание и разработка методов экстракции белков, которые менее энергоёмки и менее загрязняют окружающую среду, чем традиционные, открывают потенциальные возможности для отраслей по переработке белков. В лаборатории Паркера использование кератина в качестве субстрата для тканевой инженерии является основным направлением исследований; наличие надёжного, устойчивого метода извлечения и повторного использования таких продуктов поддержит их усилия.
Более того, этот процесс может проложить путь для целой новой отрасли биоматериалов, превращая массивный поток отходов, таких как волосы или куриные перья, в недорогие переработанные материалы, которые могут стать альтернативой традиционным пластмассам.
Предоставлено Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона.