Forskare vid KI och SLU har lyckats skapa en lösning av spindeltrådsprotein som kan kopplas till biologiskt aktiva proteiner och ombildas till en gel vid kroppstemperatur. Målet är att utveckla en injicerbar proteinlösning som bildar en gel på plats i kroppen. En sådan skulle kunna användas vid vävnadsrekonstruktion och läkemedelsformulering samt för att effektivisera kemiska processer där enzymer används. Studien har publicerats i Nature Communications
– Vi har utvecklat en helt ny metod för att skapa en tredimensionell gel av spindeltrådsprotein som kan designas för att leverera olika funktionella proteiner. I gelen sitter proteinerna väldigt tätt och metoden är så pass skonsam att den kan användas även för känsliga proteiner, berättar Anna Rising, professor vid institutionen för anatomi, fysiologi och biokemi, Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) och forskargruppledare vid institutionen för biovetenskaper och näringslära, Karolinska Institutet (KI).
I framtiden hoppas forskarna kunna utveckla en injicerbar proteinlösning som bildar en gel på plats i kroppen. Möjligheten att designa hydrogeler med specifika funktioner öppnar för en rad tänkbara applikationer.
En sådan gel skulle till exempel kunna användas för att få en kontrollerad frisättning av läkemedel i kroppen. Inom kemikalieindustrin skulle den kunna kopplas till enzymer, en form av proteiner som används för att påskynda olika kemiska processer.
– På lite längre sikt tror jag att injicerbara geler som fyller ut defekter kan bli mycket användbara inom regenerativ medicin. Vi har en lång väg kvar, men det faktum att proteinlösningen snabbt bildar en gel vid kroppstemperatur och att spindeltråden visats tolereras väl av kroppen är lovande, säger Tina Arndt, doktorand i Anna Risings forskargrupp vid Karolinska Institutet och studiens förstaförfattare.
Spindlarnas förmåga att spinna otroligt starka fibrer från en silkesproteinlösning på bråkdelar av en sekund har väckt ett intresse för de underliggande molekylära mekanismerna. Forskarna vid KI och SLU har särskilt intresserat sig för spindlarnas förmåga att hålla proteiner lösliga så att de inte klumpar ihop sig inför spindeltrådsspinningen. De har tidigare utvecklat en metod för framställning av värdefulla proteiner, som efterliknar den process som spindeln använder för att producera och lagra sina silkesproteiner.
– Vi har tidigare visat att en specifik del av spindeltrådsproteinet som kallas den N-terminala domänen produceras i stora mängder och kan hålla andra protein lösliga, och det kan vi utnyttja för medicinska tillämpningar. Vi har låtit bakterier producera den här delen av proteinet och sedan kopplat den till funktionella proteiner, bland annat olika läkemedel och enzymer, säger Anna Rising.
Den nya studien visar att den N-terminala domänen även har förmågan att ändra form och övergå till små fibriller vilket gör att proteinlösningen omvandlas till en gel om den inkuberas vid 37 °C. Dessutom kan den kopplas ihop med funktionella proteiner som bevarar sin funktion i gelen.
Forskningen finansierades av Europeiska forskningsrådet (ERC), Centrum för innovativ medicin (CIMED) vid Karolinska Institutet och Region Stockholm, Strategiska forskningsområdet stamceller och regenerativ medicin vid Karolinska Institutet, Vetenskapsrådet, Europeiska regionala utvecklingsfonden och Novo Nordisk Fonden. Studien genomfördes även med hjälp av core-faciliteten Biomedicum Imaging Core (BIC) vid Karolinska Institutet. Forskarna uppger att det inte finns några intressekonflikter.
“Spidroin N-terminal domain forms amyloid-like fibril based hydrogels and provides a protein immobilization platform”. Tina Arndt, Kristaps Jaudzems, Olga Shilkova, Juanita Francis, Mathias Johansson, Peter R Laity, Cagla Sahin, Urmimala Chatterjee, Nina Kronqvist, Edgar Barajas-Ledesma, Rakesh Kumar, Gefei Chen, Roger Strömberg, Axel Abelein, Maud Langton, Michael Landreh, Andreas Barth, Chris Holland, Jan Johansson, Anna Rising. Nature Communications, online 15 augusti 2022, doi:10.1038/s41467-022-32093-7.