I protoni sono particelle subatomiche con carica elettrica positiva. La traslocazione di protoni svolge un ruolo significativo nei fenomeni naturali e nelle tecnologie create dall'uomo. Ma rimane difficile controllare la conduzione e la fabbricazione dei protoni nei biomateriali e nei dispositivi. In un nuovo rapporto, Chao Ma e un team interdisciplinare di scienziati in Cina, Paesi Bassi, e Germania, materiali costituenti proteici conduttori di protoni progettati razionalmente che hanno superato i sistemi proteici (costituiti o contenenti proteine) precedentemente riportati. Hanno sviluppato le strutture attraverso l'esplorazione graduale di sequenze peptidiche da bobine intrinsecamente disordinate a chimere polipeptidiche sovraccaricate di proteine. Il nuovo paradigma di progettazione offre il potenziale per la fabbricazione di dispositivi bioprotonici alle interfacce di sistemi artificiali e biologici, i risultati sono pubblicati su Progressi scientifici .

La conduzione protonica è responsabile di processi fondamentali in biologia, compresa la bioluminescenza, la sintesi di adenosina 5'-trifosfato (ATP) e la traslocazione di protoni innescata dalla luce. Bioingegneri e scienziati dei materiali avevano precedentemente sviluppato diversi materiali sintetici con comportamento di traslocazione protonica, inclusi sistemi ibridi, sebbene le loro carenze abbiano ostacolato i campi della bioelettronica e della biotecnologia. Per sviluppare biomateriali dedicati alla conduzione protonica, gli scienziati devono esplorare scaffold e sequenze per il loro comportamento intrinseco di conduzione protonica. Durante gli stati idratati, i protoni possono essere trasportati tramite molecole d'acqua lungo una rete di legami adiacenti in un meccanismo noto come salto di protoni, che viene utilizzato come progetto per progettare strutture conduttrici di protoni de novo (cioè da zero). In questo lavoro, Ma et al. sviluppato un graduale, membrana a conduzione protonica a base di proteine ​​con una serie di polipeptidi anionici sovralimentati (SUP) contenenti residui di acido glutammico.

Nella spina dorsale polipeptidica della membrana conduttrice di protoni, le frazioni cariche idrofile (amanti dell'acqua) servivano come portatori di protoni. Il team ha studiato le prestazioni di conduzione protonica di questi sistemi dispiegati per ottenere membrane indipendenti e ha perfezionato il design strutturale amalgamando strutture di fogli simili alla seta con SUP anionici per formare nanostrutture autoassemblate. Il team ha decorato le superfici con densi gruppi di acido carbossilico per l'idratazione, dissociazione protonica e per formare vie di conduzione protonica. La membrana meccanicamente stabile e indipendente ha superato le proprietà di trasporto finora riportate dei sistemi a base di proteine ​​per un'eccezionale conduttività protonica.

Il team ha derivato le proteine ​​sovralimentate dall'elastina; esplorato in precedenza per applicazioni di ingegneria proteica e modifica dell'interfaccia. Introdussero l'acido glutammico (abbreviato Glu o E), che può essere facilmente deprotonato in condizioni fisiologiche nel sito X della sequenza proteica, per formare polipeptidi non strutturati sovralimentati negativamente (SUP-E). Quindi hanno costruito tre diverse varianti di polipeptidi sovralimentati noti come E72, HC_E35 e DC_E108. Ma et al. ha utilizzato la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) con elettrodi interdigitati in oro (IDE) per valutare la conduzione di protoni a film sottile e il trasporto di protoni misurato in funzione dell'umidità relativa. Quando l'umidità è aumentata al 90%, la traslocazione protonica è migliorata grazie all'assorbimento di un gran numero di molecole d'acqua attraverso i gruppi di acido carbossilico (-COOH) del materiale. Oltre all'umidità relativa, hanno anche studiato la conduzione protonica relativa alla densità dei portatori di carica per i campioni di interesse. Regolando la densità di carica delle proteine ​​disordinate, Ma et al. ha controllato con successo il comportamento della conduttanza protonica delle proteine ​​all'interno dei film. A causa dell'elevata stabilità e uniformità dei film sottili costituiti da SUP, la messa a punto non ha mostrato segni di difetti.

Ma et al. poi ha studiato ulteriormente le ossature proteiche piegate in nanodimensioni e ha dotato gli scaffold su nanoscala di acido carbossilico sulla superficie, simile ai SUP. Utilizzando la diffrazione dei raggi X, hanno studiato le informazioni strutturali all'interno dei campioni di proteine ​​sovralimentate per ottenere firme distinte dei loro domini strutturali, per mostrare come i componenti nanostrutturati potrebbero facilitare la traslocazione di protoni. Il lavoro ha permesso al team di ingegnerizzare razionalmente motivi proteici per eseguire la conduzione protonica. Motivato da una maggiore conduttività protonica, Ma et al. combinato gli elementi di progettazione risultanti con le strutture esistenti di polipeptidi sovralimentati (SUP).

Invece di utilizzare motivi a -barile nell'architettura dei materiali, hanno usato le strutture a fogli β meccanicamente stabili, una sequenza ottenuta dalla seta di ragno. Hanno chiamato il sistema combinato di SUP anionico con sequenze di fogli come "ragno-E". The scientists produced the recombinant anionic spider-E material using plasmid-vector expression systems in the lab and determined the structure using X-ray diffraction, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and atomic force microscopy. The spider-E film showed higher proton conductance compared to amorphous SUP films alone.

The β-sheet structured material system showed improved mechanical properties as a free-standing membrane that could be easily produced. Ad esempio, Ma et al. drop casted the spider-E solution to engineer a transparent macroscopic membrane in the lab. The results showed mechanical robustness of the construct due to the inclusion of spider motifs with a yield strength comparable to recombinant spider silk materials. The researchers showed how spider motifs formed β-sheet structured domains with hydrophilic surfaces composed of glutamic acid-rich SUP strands, to facilitate excellent proton hopping. The study pushed the limits of existing proteinaceous proton-conducting materials to represent a key example of protein engineering. The work represents one of the first examples that combines protein engineering and the rational design of bulk architecture with collective properties from molecular ensembles.

In questo modo, Chao Ma and colleagues applied rational molecular de novo design and engineering to achieve a bioinspired protein-derived bulk material with robust properties of proton conduction and excellent mechanical stability. They tested the surface modifications using a range of biophysical tools. The team developed the new generation, bioinspired bulk material and explored successive sequence designs to offer a promising platform for applications in biotechnology and envision the use of such materials for proton transport in miniaturized biofuel cells of the future.

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