נושא הפרוייקט

מספר פרוייקט מחלקה שמות סטודנטים אימייל שמות מנחים

שיפור עמידות ביוחומרים באמצעות ערבוב פפטידים : תובנות על מניעת פירוק פרוטאוליטי

Enhancing Biomaterial Durability through Peptide Mixing: Insights into Proteolytic Degradation Prevention

תקציר בעיברית

בתחום הביו-חומרים, לפפטידים יש תפקיד מכריע בכך שהם משלבים מנגנונים למניעת פירוק בסביבה פרוטיאוליטית. מחקר זה בוחן את הפוטנציאל של תערובות פפטידים לשפר את עמידותם של ביוחומרים בתנאים אלו. באופן ספציפי, ההתמקדות שלנו מסתמכת על שילוב של פפטידים טעונים הכוללים רצפים מתחלפים של פנילאלנין ופרולין. הפפטיד האניוני (PFD) מכיל חומצה אספרטית, ואילו הפפטיד הקטיוני (PFK) מכיל ליזין. לפפטידים אלה יש אינטראקציות הידרופיליות-הידרופוביות המאפשרות הרכבה עצמית, תהליך שבו חלקיקים מתאחדים באופן אוטונומי ליצירת מבנים מורכבים יותר. ההרכבה העצמית של פפטידים מושפעת מגורמים שונים, כולל רצף פפטידים, pH, ממס וטמפרטורה.
פרוטאזות הן אנזימים האחראים להאצת פירוק חלבונים דרך פיצול הקשרים הפפטידים באמצעות הידרוליזה. במחקר זה השתמשנו בטריפסין, פרוטאז הידוע כמבקע קשרים פפטידים בצד הקרבוקסיל של שאריות ליזין וארגינין. המתודולוגיה שלנו כללה הכנת תמיסות פפטידים באמצעות המסה של אבקות פפטיד בממס ואחריו סוניקציה. כדי להעריך התפרקות פרוטאוליטית השתמשנו בכרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC), בעוד שספקטרוסקופיה דיכרואיסטית מעגלית (CD) שימשה לחקר המבנה המשני של המערכת.
התוצאות שלנו הראו כי PFK היה רגיש לפירוק על ידי טריפסין, בעוד תערובת של PFK עם PFD מנעה ביעילות פירוק כזה. באופן מעניין, קידום הארגון הראשוני של PFK לא עכב פירוק הפפטיד על ידי טריפסין. בתחילה, PFK הציג מבנה פוליפרולין, אשר שונה למבנה פפטידי אקראי עם הוספת טריפסין. יתר על כן, תוספת של NaCl הוכיחה תועלת בשיפור הארגון של PFK, מה שהוביל למבנה פוליפרולין בשילוב עם מאפיינים של β-sheet. בינתיים, תערובת של PFK עם PFD הציגה אלמנטים של סליל אלפא ומבנה של β-sheet.
לסיכום, הממצאים שלנו מדגישים כי מניעת פירוק פרוטאוליטי מושגת באמצעות ערבוב אסטרטגי של פפטידים במקום להסתמך רק על ארגון עצמי. השילוב של ערבוב פפטידים טומן בחובו הבטחה לשיפור יציבות החומרים הביולוגיים ולמניעת פירוק פרוטאוליטי יעיל. תובנות אלה תורמות לפיתוח ביו-חומרים עמידים יותר עם עמידות מוגברת לפירוק אנזימטי בסביבות פרוטיאוליטיות.

תקציר באנגלית

In the realm of biomaterials, peptides play a crucial role by incorporating mechanisms to prevent degradation in proteolytic environments. This study explores the potential of peptide mixtures to improve the durability of biomaterials under such conditions. Specifically, our focus relies on a combination of charged peptides featuring alternating sequences of phenylalanine and proline. The anionic peptide (PFD) contains aspartic acid, while the cationic peptide (PFK) contains lysine. These peptides possess hydrophilic-hydrophobic interactions that facilitate self-assembly, a process wherein particles autonomously come together to form more complex structures. The self-assembly of peptides is influenced by various factors, including peptide sequence, pH, solvent, and temperature.
Proteases are enzymes responsible for accelerating protein degradation through the cleavage of peptide bonds via hydrolysis. In this study, we utilized trypsin, a protease known to cleave peptide bonds on the carboxyl side of lysine and arginine residues. Our methodology involved the preparation of peptide solutions through the dissolution of lyophilized peptide powders in a solvent followed by sonication. To evaluate proteolytic degradation, we employed high-performance liquid chromatography (HPLC), while circular dichroism spectroscopy (CD) was used to study the secondary structure of the system.
Our results demonstrated that PFK was susceptible to degradation by trypsin, whereas a mixture of PFK with PFD effectively prevented such degradation. Interestingly, promoting the initial organization of PFK did not impede its degradation by trypsin. Initially, PFK exhibited a polyproline structure, which transitioned to a random peptide structure upon trypsin addition. Moreover, the addition of NaCl proved beneficial in enhancing the organization of PFK, leading to a polyproline structure combined with β-sheet characteristics. Meanwhile, a mixture of PFK with PFD displayed elements of an alpha helix and β-sheet structure.
In summary, our findings highlight that the prevention of proteolytic degradation is achieved through the strategic mixing of peptides rather than relying solely on self-organization. The incorporation of peptide mixing holds promise for enhancing biomaterial stability and effectively preventing proteolytic degradation. These insights contribute to the development of more durable biomaterials with increased resistance to enzymatic breakdown in proteolytic environments.