Synthetisches Protein aus Fischblut schützt Lebensmittel und Medikamente vor Eiskristallen
Zum Patent angemeldete Innovation soll durch ein neues Start-up auf den Markt gebracht werden
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Jeder, der schon einmal Gefrierbrand hatte, weiß, dass Eiskristalle bei niedrigen Temperaturen ein Problem darstellen können. Die gezackten Kanten der Eiskristalle können jedoch mehr als nur die Textur Ihres Eises ruinieren. Auf mikroskopischer Ebene können sie die Struktur von lebenden Zellen oder biologischen Arzneimitteln wie Enzymen und Antikörpern zerstören, die dennoch bei Minusgraden transportiert werden müssen.
Jessica Kramer, links, und Thomas McParlton beobachten die Größe der Eiskristalle in einer mit ihrem Protein behandelten Probe in ihrem Labor an der Universität von Utah.
Dan Hixson, University of Utah
Das Frostschutzmittel in Ihrem Auto - Ethylenglykol - ist giftig, also keine Lösung für Lebensmittel oder Medikamente. Stattdessen haben sich die Forscher von der Natur inspirieren lassen: Fische, die in polaren Gewässern leben, haben Proteine in ihrem Blut, die verhindern, dass es gefriert.
Jetzt haben Forscher des John and Marcia Price College of Engineering der University of Utah einen Weg gefunden, eine abgespeckte, synthetische Version dieses Proteins herzustellen, die einfach genug ist, um in großem Maßstab hergestellt zu werden, aber stark genug, um die Bildung von Eiskristallen bei Minusgraden zu verhindern.
Die Forscher demonstrierten die Wirksamkeit ihrer nachgeahmten Polypeptide an mehreren realen Testfällen, darunter Eiscreme und das Krebsmedikament Trastuzumab. Ersteres wurde erfolgreich auf bis zu minus 4 Grad Celsius abgekühlt, während letzteres Temperaturen von bis zu minus 323 Grad Celsius überstand.
Die von der National Science Foundation finanzierte Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Sie wurde von Jessica Kramer, einer außerordentlichen Professorin in der Abteilung für Biomedizinische Technik, und Thomas McParlton, einem Doktoranden in ihrem Labor, geleitet.
Seit Jahrzehnten haben Forscher ein Auge auf die natürlich vorkommenden Frostschutzproteine geworfen, die in bestimmten polaren Fischen sowie in einigen Insekten und Pflanzen vorkommen. Die Extraktion bedeutender Mengen dieser Proteine aus lebenden Organismen ist jedoch für die kommerzielle Nutzung unpraktisch. Außerdem sind sie anfällig für Verunreinigungen mit Allergenen.
Kramer und ihre Kollegen machten sich daher daran, die genauen physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Proteine zu bestimmen, die für ihre Frostschutzwirkung verantwortlich sind. Zwei frühere Studien, die in Chemistry of Materials und Biomacromolecules veröffentlicht wurden, zeigten die strukturellen Merkmale, die bei den natürlich vorkommenden Proteinen am wichtigsten sind.
"Letztendlich haben wir die Struktur auf die Teile vereinfacht, von denen wir annahmen, dass sie für die Frostschutzaktivität erforderlich sind, was die Herstellung weniger kompliziert und teuer macht", so Kramer. "Trotz dieser Änderungen hat diese Studie gezeigt, dass unsere Nachahmer sich an die Oberfläche von Eiskristallen binden und das Kristallwachstum hemmen, genau wie natürliche Frostschutzproteine."
"Das Beste von allem", so McParlton, "ist, dass wir diese Nachahmer vollständig mit Hilfe von Chemie herstellen - ohne Fische oder Zellen."
Zum Beweis ihres Konzepts wiesen die Forscher nach, dass die nachgeahmten Moleküle für menschliche Zellen ungiftig sind, von den Enzymen des menschlichen Darms verdaut werden können und die Erhitzung überstehen - ein entscheidender Faktor für ihr Potenzial zur Lebensmittelherstellung. Sie führten auch Tests mit empfindlichen Enzymen und Antikörpern durch, die zeigten, dass die Nachahmermoleküle sie vor Schäden im Zusammenhang mit Gefrier-/Auftauzyklen schützten.
"Wir haben auch gezeigt, dass wir die Bildung von Eiskristallen in Speiseeis verhindern können, was oft während des Transports oder beim Herausnehmen des Kartons aus dem Gefrierschrank geschieht", so Kramer.
Die Forscher stellen sich vor, dass ihre nachgeahmten Moleküle eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen, von der Verlängerung der Haltbarkeit gefrorener Lebensmittel bis zur Verbesserung der Lagerung und des Transports lebensrettender biologischer Arzneimittel. Die Technologie ist derzeit zum Patent angemeldet, und das Team arbeitet daran, seine Innovation über ein neues Startup-Unternehmen, Lontra Bio LLC, auf den Markt zu bringen, das diese synthetischen Frostschutzproteine vermarkten will.
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