Poliarinės žuvys išgyvena jūrose, kurių temperatūra yra žemiau nulio, nes jų kraujyje yra apsauginių baltymų, kurie neleidžia kraujui užšalti. Šie baltymai jungiasi su susidarančiu ledu ir stabdo kristalų augimą. Mokslininkai sukūrė sintetinius polimerus pagal šių baltymų modelį, kurie gali apsaugoti trapias biomolekules užšalimo metu – nuo vaistų iki maisto.

Kaip buvo atrasti ledą stabdantys baltymai

Tirdami, kaip gyvybė išlieka jūrose, kurių temperatūra yra žemiau nulio, mokslininkai 1960-1970 metais atrado, kad Antarkties ir Arkties žuvų kraujyje yra ypatingų baltymų. Šie ledą stabdantys baltymai (AFP – antifreeze proteins) suriša ledo kristalus ir stabdo jų augimą, taip apsaugodami žuvų audinius nuo užšalimo.

Kaip jie veikia:

• Prisijungia prie ledo paviršiaus
• Mažina užšalimo temperatūrą
• Blokuoja ledo kristalų augimą
• Apsaugo biomolekules nuo pažeidimų

Kadangi šių baltymų gavyba iš laukinių žuvų yra sudėtinga ir brangi, chemikai pradėjo kurti sintetinius pakaitalus, kurie veiktų taip pat efektyviai.

Kaip veikia apsauga nuo užšalimo

Ledą rišantys baltymai suteikia apsaugą prisijungdami prie specifinių ledo kristalų paviršių ir sustabdydami tolesnį jų augimą. Šis mechanizmas sukuria terminę histerezę – skirtumą tarp lydymosi ir užšalimo temperatūrų.

Pagrindinės funkcijos:

• Stabdo ledo augimą užšalimo metu
• Užkerta kelią rekristalizacijai – mažų ledo kristalų susijungimui į didesnius
• Išsaugo trapias struktūras – baltymus, ląsteles ir maisto tekstūrą
• Sumažina mechaninį stresą šaldymo ir atšildymo ciklų metu

Laboratorijoje sukurti sintetiniai analogai atkartoja šiuos modelius ir siūlo netoksiškų, pritaikomų krioprotektorių vaistams ir maistui.

Sintetiniai apsauginiai polipeptidai

Mokslininkai sukūrė visiškai sintetinius poliarinių žuvų baltymų analogus. Šie sintetiniai polipeptidai izoliuoja tik esminius ledą rišančius motyvus, pašalindami nebūtiną sudėtingumą.

Pagrindiniai privalumai:

Be gyvūninių medžiagų – išvengiama alergenų rizikos ir etinių klausimų
Masinė gamyba – chemiškai sintetinti, todėl lengvai didinti gamybos mastą
Saugūs – netoksiški žmogaus ląstelėms, virškinami žarnyno fermentų
Stabilūs – išlaiko karštį maisto perdirbimo metu

Šiuos polipeptidus komercializuoja Lontra Bio LLC, paversdama mokslinius atradimus praktiniais sprendimais.

Taikymas medicinoje: vaistų apsauga

Laboratoriniai bandymai parodė, kad sintetiniai apsauginiai polipeptidai gali išsaugoti funkcinius baltymus ekstremaliai šaltoje temperatūroje.

Įrodyti rezultatai:

• Apsaugo terapinius antikūnus (pvz., Trastuzumab) esant temperatūrai iki -197°C
• Stabilizuoja jautrius fermentus per užšaldymo/atšildymo ciklus
• Išsaugo vaistų struktūrą ir aktyvumą šaldymo grandinėje
• Netoksiški ir saugūs naudoti su biologiniais preparatais

Tai reiškia, kad brangūs ir trapūs vaistai nuo vėžio bei kitos biologinės medžiagos gali būti saugomi ir transportuojami pigiau ir saugiau.

Taikymas maisto pramonėje

Sintetiniai apsauginiai polipeptidai taip pat naudojami maisto pramonėje, siekiant išsaugoti šaldytų produktų kokybę.

Kaip jie padeda:

• Išlaiko tekstūrą – užkerta kelią didelių ledo kristalų augimui
• Apsaugo nuo šaldiklio degimo – sumažina kokybės praradimą
• Išlaiko glotnumą – ypač svarbu ledams ir desertams
• Atspari karščiui – nesuirsta perdirbimo metu

Realaus pasaulio bandymai parodė, kad šie polipeptidai išsaugo komercinių ledų kokybę -20°C temperatūroje, užkirsdami kelią rekristalizacijai šaldymo-atšildymo ciklų metu.

Saugumas žmonėms

Sintetinių apsauginių polipeptidų saugumas kruopščiai ištirtas:

Netoksiški – nekenkia žmogaus ląstelėms
Virškinami – žmogaus žarnyno fermentai juos skaido
Be alergenų – nėra žuvų ar gyvūninių medžiagų
Termiškai stabilūs – atitinka maisto perdirbimo temperatūras

Tai reiškia, kad jie saugūs tiek medicinos, tiek maisto pramonėje.

Gamybos privalumai

Skirtingai nuo natūralių baltymų, kuriuos reikia gauti iš žuvų ar auginti ląstelių kultūrose, sintetiniai apsauginiai polipeptidai gaminami chemiškai.

Kodėl tai svarbu:

Masinė gamyba – galima greitai padidinti gamybos mastą
Nuoseklumas – kiekviena partija vienodos kokybės
Mažesnės išlaidos – nereikia žvejybos ar ląstelių kultūros įrenginių
Paprastesnė logistika – nėra sezoninių apribojimų
Mažiau reguliavimo – nėra gyvūninių žaliavų problemų

Realaus pasaulio pavyzdžiai

Mokslininkai atliko praktinius bandymus dviejose srityse:

1. Ledų apsauga

Sintetinis polipeptidas išsaugojo komercinius ledus -20°C temperatūroje, užkirsdamas kelią didelių ledo kristalų susidarymui ir išlaikydamas glotnią tekstūrą.

2. Vėžio vaistų stabilizavimas

Trastuzumabas (vaistas nuo vėžio) išlaikė vientisumą net esant -196°C (skysto azoto temperatūra). Tai reiškia, kad brangūs biologiniai vaistai gali būti saugomi ir transportuojami be brangiųjų ultrašaldymo šaldytuvų.

Komercializacija ir ateities planai

Lontra Bio LLC, vadovaujama mokslininkės Jessica Kramer iš Jutos universiteto, veda šių sintetinių polipeptidų komercializaciją.

Kas daroma:

• Pateiktos patentų paraiškos apsaugoti sekas ir sintezės metodus
• Bendradarbiaujama su maisto ir farmacijos gamintojais
• Planuojami licencijavimo susitarimai ir bandomieji projektai

Poveikis pasaulinei sveikatos priežiūrai

Sintetiniai apsauginiai polipeptidai gali pakeisti, kaip saugomi ir transportuojami temperatūrai jautri vaistai.

Galimas poveikis:

Mažesnės transportavimo išlaidos – nereikia brangių ultrašaldymo sprendimų
Mažesnis produktų nuostolis – mažiau sugenda per užšaldymo/atšildymo ciklus
Geresnė prieiga – vaistai ir vakcinos gali pasiekti ribotų išteklių regionus
Paprastesnė logistika – mažiau sudėtingos šaldymo grandinės reikalavimai

Tai ypač svarbu vakcinoms ir biologiniams vaistams, kuriems būtina nuolatinė šalta temperatūra.

Išvada

Poliarinių žuvų kraujyje rastų antifrizo baltymų tyrimai atvėrė duris praktiniems sprendimams medicinoje ir maisto pramonėje. Sintetiniai polipeptidai, sukurti pagal gamtos modelį, gali apsaugoti trapius vaistus ekstremaliai šaltoje temperatūroje, išsaugoti maisto kokybę ir sumažinti šaldymo grandinės išlaidas.

Artimiausiais metais šios technologijos gali pagerinti pasaulinę prieigą prie gyvybiškai svarbių vaistų, ypač regionuose, kuriuose trūksta šaldymo infrastruktūros.