Μελέτη πολυστρωματικών διατάξεων πολυσακχαρίτη/πρωτεΐνης σε διεπιφάνειες
Authors: Τάσσης Γεώργιος 
Published: November 2024

Κατά τον περασμένο αιώνα και ιδιαίτερα στο δεύτερο μισό, υπήρξε μια ραγδαία ανάπτυξη τόσο της επιστήμης των πολυμερών από τη μια πλευρά όσο και της βιολογίας από την άλλη. Η εφεύρεση των συνθετικών πολυμερών και η ανάπτυξη της βιομηχανίας των πλαστικών με την ταυτόχρονη ανάπτυξη της φυσικοχημείας των πολυμερών, εστίασε το ενδιαφέρον κυρίως στα συνθετικά αντί για τα φυσικά πολυμερή. Την ίδια περίοδο, η αποκρυπτογράφηση του γενετικού κώδικα και η ανάπτυξη της κρυσταλλογραφίας των πρωτεϊνών οδήγησε το ερευνητικό ενδιαφέρον της μοριακής βιολογίας σε διαφορετικά πεδία από αυτά των πολυμερών. Πάραυτα, με την απεικόνιση της ζωής σε μοριακό επίπεδο όπως αυτή ανέκυψε από τη μοριακή βιολογία, μπορούμε στη σύγχρονη εποχή να αναγνωρίζουμε πολλά θέματα βιολογικού υποβάθρου που σχετίζονται με το ερευνητικό πεδίο της χαλαρής ύλης. Πλην του νερού, τα σημαντικότερα συστατικά των έμβιων όντων είναι μακρομόρια. Τα συστήματα αυτά διέπονται από ασθενείς, μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, στα οποία οι διακυμάνσεις της κίνησης Brown είναι παρούσες. Ο σχηματισμός των απαραίτητων δομών για τη βιολογική λειτουργία βασίζεται σε διαδικασίες αυτο-οργάνωσης τόσο σε μοριακό όσο και σε υπερ-μοριακό επίπεδο. Σε αυτή τη βάση, η κατανόηση της βιολογίας με όρους και αρχές της χαλαρής ύλης θεωρείται ως μια σύγχρονη πρόκληση με μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Στις μοριακές συνιστώσες της ζωής με σημαντικό ρόλο συγκαταλέγονται οι πρωτεΐνες και οι πολυσακχαρίτες. Οι πρωτεΐνες είναι βιολογικά μακρομόρια και αποτελούνται από δομικές μονάδες μονομερών τα αμινοξέα. Ο πολυμερισμός των αμινοξέων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας κεντρικής ανθρακικής αλυσίδας στην οποία τα μονομερή συγκρατούνται μέσω ομοιοπολικών δεσμών (πεπτιδικοί δεσμοί). Οι πρωτεΐνες μαζί με την κυτταρική μεμβράνη αποτελούν το μεγαλύτερο δομικό συστατικό των κυττάρων και επιτελούν τρεις βασικές λειτουργίες. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που λειτουργούν ως καταλύτες διάφορων χημικών αντιδράσεων απαραίτητων για τη λειτουργία των κυττάρων. Επίσης, οι πρωτεΐνες αποτελούν δομικά στοιχεία τόσο της ενδοκυτταρικής οργάνωσης όσο και των ιστών των ζωντανών οργανισμών. Περαιτέρω συνδυάζοντας το δομικό και καταλυτικό τους ρόλο συμμετέχουν σε μοριακούς μηχανισμούς που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε κινητική και συνεισφέρουν στη μεταφορά διαφορετικών συστατικών μεταξύ των κυττάρων. Οι πολυσακχαρίτες είναι οργανικά μακρομόρια διάφορων σακχάρων, τα οποία λογίζονται ως τυχαία συμπολυμερή (random copolymers), καθότι δεν υφίσταται μια συγκεκριμένη αλληλουχία μονομερών στην αλυσίδα τους. Οι κυριότερες λειτουργίες τους είναι η χρήση τους ως ενεργειακές αποθήκες (άμυλο), αλλά και η συμμετοχή τους ως δομικά συστατικά (κυτταρίνη φυτικών κυττάρων). Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκαν πειραματικά οι φυσικοχημικές ιδιότητες και οι αλληλεπιδράσεις για δύο ζεύγη μακρομορίων βιολογικού ενδιαφέροντος στη διεπιφάνεια στερεού-ρευστού, υπό το πρίσμα της τεχνικής συγκρότησης υμενίων Layer-by-Layer (LbL). Ειδικότερα, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση της πρωτεΐνης λυσοζύμης (lysozyme) με τον πολυσακχαρίτη ξανθάνη (xanthan gum) (ως το 1ο ζεύγος) και της πρωτεΐνης ινωδογόνο (fibrinogen) με τον πολυσακχαρίτη χιτοζάνη (chitosan) (ως το 2ο ζεύγος). Η LbL τεχνική συνίσταται στη διαδοχική προσρόφηση εναλλασσόμενων συστατικών σε μια επιφάνεια. Η ανάπτυξη ενός τέτοιου σύνθετου υμενίου (πάχος, σύσταση, τρισδιάστατη δομή) εμφανίζει συχνά διαφορετικές φυσικοχημικές ιδιότητες σε σχέση με τα αντίστοιχα μεμονωμένα μακρομόρια. Oι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής: 1. Προσδιορισμός ιδιοτήτων διαβροχής (γωνία επαφής, επιφανειακή τάση) μέσω της μεθόδου ανάλυσης του προφίλ σταγόνας 2. Μικροζυγός Κρυστάλλου Χαλαζία 3. Φασματοσκοπία αποσβενύμενης ολικής ανάκλασης υπερύθρου 4. Φασματοσκοπία Επιφανειακών Πλασμονίων 5. Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης Τα υμένια ξανθάνης/λυσοζύμης εμφανίζουν σταθερότητα σε σχέση με το χρόνο κατά την επαφή με υδατικά διαλύματα και οι μετρήσεις υποδεικνύουν αύξηση της προσροφημένης ποσότητας κατά μία τάξη μεγέθους σε σχέση με την προσρόφηση του καθαρού πολυσακχαρίτη (10 mg•m-2 και 1 mg•m-2 αντίστοιχα). Επιπρόσθετα, ο χρόνος για τον σχηματισμό του υμενίου ήταν περίπου 10 φορές μικρότερος σε σχέση με την προσρόφηση του πολυσακχαρίτη (120 min και 1500 min αντίστοιχα). Τα υμένια χιτοζάνης/ινωδογόνου αξιοποιήθηκαν, μέσω συνεργασίας, από το Ινστιτούτο Βιολογίας του Πανεπιστημίου της Σορβόννης για την περαιτέρω διερεύνηση της πρόσφυσης και ανάπτυξης μυϊκών καρδιακών κυττάρων. Η βιωσιμότητα και η μορφολογία των κυττάρων, για το δείγμα υψηλής συγκέντρωσης (1 mg•ml-1), υπερέχει σε σχέση με τις υφιστάμενες διεπιφάνειες κυτταρικών καλλιεργειών. Η τρέχουσα διατριβή αναδεικνύει την προοπτική αξιοποίησης του συνδυασμού πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών, υπό τη μέθοδο LbL, για την ανάπτυξη βιοσυμβατών και πολυ-λειτουργικών διεπιφανειών.