Eiwitten als nanomaterialen
Aantekeningen les week 1
Eiwitten de basis. Als eerst heb je de transcriptie van DNA naar mRNA. Translatie van
mRNA naar aminozuur sequentie. Eén codon (drie DNA/mRNA bases) is één aminozuur.
Het belangrijkste hier is dat er een hele hoge controle op
moleculair level is, dus dat de sequentie vast staat. Je hebt het
mRNA met codons (drie DNA/RNA basen), transfer RNA (tRNA),
aminozuur en tRNA synthetase nodig.
De primaire structuur is de aminozuur sequentie. De secundaire
structuur, is de alfa helix of de bèta sheet (hierbij heb je anti-parallel (lopen
tegenovergesteld) en parallel (strengen lopen dezelfde kant op), hierbij zijn waterstofbruggen
het belangrijkst). De tertiaire structuur, hierbij heb je al de uiteindelijke structuur van een eiwit
(dit is een 3D structuur), hierbij spelen waterstofbruggen, zwavelbruggen, pi-pi stacking en
ionische bindingen een belangrijke rol. De quaternaire structuur, hier is niet altijd sprake van,
hierbij vormen twee of meerdere tertiaire structuren een complex.
Waarom kies je voor eiwit-gebaseerde Nano materialen? Eiwitten zijn biodegradeerbaar,
waardoor je een lage toxiciteit, tevens is hierdoor de antigeniciteit erg laag. Ze kunnen veel
medicijn binden. Als je ook nog een enzym gaat gebruiken, heb je dus nog een extra
eigenschap waar je gebruik van kan maken (dus het enzym kan een bepaalde functie uit
oefenen, cascade van reacties kunnen optreden). Biocompatibiliteit, hierdoor worden eiwitten
minder geopsoniseerd (dat ze door macrofagen minder snel worden aangevallen). De
mogelijkheid tot targetting (antilichamen). Als laatste voordeel is dat ze uit verschillende
bronnen kunnen worden geëxtraheerd.
Biodegradeerbaar. Ons lichaam kent vele proteasen, deze breken eiwitten af (omdat
we zelf ook eiwitten hebben die afgebroken moeten worden). Eiwitten zijn ook
biodegradeerbaar door hydrolyse. Proteasen die bevinden zich veel in het lysosoom
(lysosoom is voor afvalverwerking). In het lysosoom is een lage pH. Soms wil je daar
juist heen met je nanodeeltje, omdat dan je medicijn vrij kan komen tijdens afbraak.
Ook heb je het proteasoom, hier eindigen eiwitten als ze slecht gevormd zijn
(ubiquitinatie), het eiwit wordt dan afgebroken.
Hoge medicijn binding capaciteit. Eiwitten kunnen over het algemeen veel moleculen
binden (veel conjugatie sites, zowel covalent als niet-covalent). Een belangrijk punt
hierbij is dat eiwitten ook heel veel hydrofobe plekken hebben om hydrofobe
medicijnen te binden en ze daarmee dus ook oplosbaar te maken. Een ander
belangrijk punt is als een klein medicijn aan een groot eiwit unit zit, dan wordt het
minder zichtbaar voor je immuunsysteem en daardoor minder toxisch.
, Bruikbaar intrinsieke eigenschappen van eiwitten. Eiwitten zijn over het algemeen
redelijk hydrofiel en wateroplosbaar. Maar ze kunnen ook hydrofobe moleculen
binden. Ze kunnen worden gebruikt voor target. Ze beschermen het medicijn tegen
het afweersysteem van het lichaam, maar ze beschermen het lichaam ook tegen het
medicijn. Tot slot kunnen ze een bepaalde functie uitoefenen (enzymen).
Biocompatibiliteit. Wateroplosbaar (vaak zijn de medicijnen hydrofoob). Eiwitten
hebben vaak een lage toxiciteit en zijn biodegradeerbaar. Dit is van belang omdat
alles goedgekeurd moet worden door verschillende organisatie (FDA, food en drug
organisation). Eiwit gebaseerde nanomaterialen vallen sneller in een veilige zone. Je
moet altijd een hele procedure doorlopen om een product op de mark te zetten.
Hierdoor wordt dit traject veel korter en daardoor veel minder kostbaar. Daarom
gebruiken bedrijven vaak vergelijkbare moleculen, omdat hier minder geld voor nodig
is. FDA approvement, voor elk ziektebeeld moet je weer opnieuw bewijzen dat je
medicijn werkt.
Er zijn verschillende bronnen waaruit je je eiwitten kan winnen. Denk aan bacteriën, er
worden ook heel veel planten gebruikt, maar denk ook aan menselijke of dierlijke cellijnen.
Als je enigszins handig bent in het manipuleren van je DNA, kan je ook je eiwit finetunen,
zoals jij het wil hebben. Voorbeeld Abraxane (albumine gebonden nanodeeltjes). Dit is
opgebouwd uit heel veel albumine moleculen bij elkaar. Je ziet dat je dus het albumine hebt,
en het paarse rondje is je medicijn. Belangrijk hier is dat je een lage clearance hebt door de
nieren en lever door specifieke grootte. Albumine heeft de eigenschappen om door bepaalde
receptor gp60 getranscytoseerd wordt (over de bloedvatwand getransporteerd wordt).
Hierdoor wordt het geïnternaliseerd door SPARC gemedieerde uptake. Je deeltje wordt
eigenlijk herkent door verschillende kleine signaalmoleculen rond om je tumor cel. Je binding
is niet-covalent, dus hij laat redelijk makkelijk los als hij eenmaal getranscytoseerd is. All
protein fabrication methods.
Desolvation. Verschil met coacervation is dat je hier geen twee verschillende fases hebt. Je
voegt alcohol of aceton toe en onttrekt dan de watermantel van je eiwit. Hierdoor slaat je
eiwit neer en krijg je nanodeeltjes. Je zet het op een roerplaat (is heel belangrijke stap, niet
vergeten). Je moet rekening houden met of je de activiteit van je eiwit wilt behouden (want
eiwitten kunnen bij deze techniek denatureren), denk aan als je een enzym gebruikt.
Coacervation. Het is een techniek op basis van scheiding van twee lagen. Eerst heb je
ethanol, dat lost op in water dus zie je geen faseverschil. Daarom voeg je een zout toe (dan
krijg je wel die faseverschuiving), dan mengen water en ethanol dus niet meer goed. Je krijgt
dan een pH verandering, om te zorgen dat je eiwit in je water gaat neerslaan. Het is eigenlijk
een fasescheiding techniek. In dit voorbeeld hebben ze gluteraldehyde toegevoegd bij de
laatste stap, dat doen ze om de nanodeeltjes bij elkaar te houden als je ze hebt gevormd. Je
zet het op een roerplaat.
Emulsification. Je hebt een waterige oplossing met eiwit en dit voeg je druppelsgewijs toe
aan olie. Dan zet je het in een ultrasoon bad en dan krijg je nanodeeltjes (dit is single
untrasonificatie). Nu moet je crosslinken, als je dit niet doet valt het uit elkaar. Na het
, crosslinken krijg je grotere nanodeeltjes. Je hebt dan dus een oliefase met kleine
nanodeeltjes erin en dit voeg je weer toe aan een waterige oplossing (dit is de dubbel). Dan
gebruik je weer een ultrasoon en dan krijg je bolletjes in bolletjes. Dan heb je dus in het
midden je eiwit, daarom heen je olie (soort membraan), dit is de dubbel. Single is water in
olie en dubbel is water in olie in water. Bij de single kies je een hydrofiel medicijn, want
anders gaat je medicijn in je olie zitten en dat zit in de vloeistof en dat wil je niet (meestal is
je eiwit hydrofiel namelijk).
Nanoprecipitation. Het eiwit wordt opgelost in een organisch oplosmiddel (hier lost het
polymeer goed in op). Tetrahydrofuran mengt ook heel goed met water, dus nu heb je een
oplosmiddel wat zowel polymeer oplost en mengt met water. Dan eiwit in organisch
oplosmiddel toevoegen aan water. Dan moet je het oplosmiddel verwijderen en dan heb je je
substantie. Als de concentratie van eiwit te hoog is dan clustert het en zakt het uit de
oplossing (dat is niet de bedoeling). Bij deze wordt je nanodeeltje gevormd doordat hij niet
oplost in water en daardoor slaat hij neer. Dat is dus de entropy van water, door die
hydrofobe interacties naar binnen gaan omdat hij niet oplost.
Belangrijk hier is dat je moet weten waar je eiwit in zit. Vaak het gene wat je toe druppelt is
ook het gene wat je deeltje vormt. In het water zit dan dus je medicijn. Dus met het
samenklonteren van je eiwit vang je je medicijn in het nanodeeltje.
Nano spray drying. Dit berust op het feit dat je je medicijn samen met je eiwit in een
oplossing hebt. Je gaat dan sprayen, en je hebt er een dry agent in zitten (die zorgt dat hij
snel droogt). Als je gaat sprayen, komen er hele kleine druppels uit. Omdat ze zo klein zijn
zullen ze snel indrogen en hierdoor zullen ze neerslaan. Die spray (hier zit een soort
membraan) en deze kan je ook aanpassen op grootte. Uit die spray komt het in een oven
waardoor hij snel droogt. Je medicijn en je eiwit drogen samen in een nanodeeltje in. Eiwit en
medicijn zitten dus allebei opgelost, dat spray je erdoorheen en dat wordt gedroogd. Als je
het daarna weer in water brengt dan valt het weer uit elkaar, dus dit is een nadeel.
Crosslinken is om het stabiel te houden, vaak gebruik gemaakt van gluta-aldehyde. Ze
hebben aan beide uiteinde een aldehyde. Aldehyde zijn erg reactief en zeker met amides, je
creëert een cross-linking en een stabieler systeem. Er zijn nog andere mogelijkheden van
cross-linkers, denk aan NHS-maleimide (vaak niet snel goedgekeurd).
Aantekeningen les week 2
Enzymen zijn instaat om een substraat te veranderen naar een bepaald product, dus dat er
een omzetting kan plaatsvinden. Over het algemeen kan deze reactie op twee kanten
worden uitgevoerd (dit ligt natuurlijk aan de condities). Deze condities kunnen beïnvloedt
worden door pH, warmte, concentratie product of substraat. De transitie toestand is de
toestand als je het enzym en het substraat samen hebt. Er moet energie in gestopt worden
om van het een naar het ander te gaan. Als je er energie in stopt wordt die berg lager (berg
van energie waar hij overheen moet). Verschil in gibs energie tussen producten en
reactanten blijft gelijk.
Enzym kinetiek. Reactie mechanisme enzym. We beginnen vanuit een reactievergelijking.
We hebben een enzym en het substraat (het substraat is het geen wat het enzym om kan
zetten). Dit wordt omgezet naar enzym en product. Er is een bepaalde transitie toestand
waar hij zich eerst even in bevindt en dat noemen we het enzym-substraat complex.
