Des dispositifs médicaux alimentés par des protéines synthétiques créées à partir de séquences répétées de protéines peuvent être possibles, selon les experts en science des matériaux et biotechnologie, qui a examiné du matériel inspiré des protéines des anneaux dentés de calmar.

"La question que nous nous posions était de savoir si nous pouvions fabriquer des dispositifs médicaux flexibles et auto-réparateurs pour fonctionner sur les protons comme le font les systèmes biologiques, " a déclaré Melik Demirel, Pierce Development Professor et professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique. "La nature sait transférer des protons, par exemple en chargeant l'énergie biologique connue sous le nom d'ATP (adénosine triphosphate)."

Actuellement, le transfert de protons fait partie intégrante des piles à combustible, mais ces cellules utilisent des membranes de transfert d'ions telles que Nafion, fabriqués à partir de polymères non biocompatibles. La vision future est d'avoir des dispositifs médicaux implantables qui pourraient fonctionner sans piles, par conduction protonique, mais pour faire ça, les conducteurs de protons doivent être biocompatibles.

Les polymères fabriqués à partir de protéines inspirées des anneaux dentaires de calmar ne sont pas seulement biocompatibles, ils s'auto-guérissent aussi, souple et extensible. Parce qu'ils sont fabriqués de manière bio-synthétique en choisissant les séquences d'ADN, la fabrication de ces protéines peut être programmée pour avoir une conductivité et une flexibilité variables. Tant qu'un matériau contient 60 pour cent (typique à l'intérieur du corps) ou plus d'eau, une conduction protonique peut se produire.

Malheureusement, les conducteurs de protons à base de protéines ne sont pas aussi puissants ou efficaces que les conducteurs polymères, les chercheurs cherchaient donc un moyen d'optimiser la conductivité protonique du matériau. Ils rapportent les résultats de leur travail en ligne dans Chimie des Matériaux .

Protéines de dents de calmar, composé d'acides aminés, contiennent de nombreuses répétitions en tandem dans leur constitution moléculaire. Les répétitions en tandem sont généralement de courtes séries de molécules qui sont agencées pour se répéter un certain nombre de fois. Les chercheurs ont créé des protéines inspirées du calmar avec 4, 7, 11 et 25 répétitions. Ils ont ensuite créé des films à partir de ces matériaux.

Les chercheurs ont découvert que l'augmentation du nombre de répétitions en tandem augmentait la conductivité protonique des protéines. Ils ont essayé différentes combinaisons d'acides aminés et ont découvert que le remplacement des séquences d'histidine par l'alanine - un autre acide aminé - dans la protéine diminuait la conductivité des protons, ce qui explique pourquoi la soie, une protéine répétée en tandem similaire, n'est pas un bon conducteur de protons.

En regardant les protéines synthétiques inspirées des anneaux de calmar, les chercheurs se sont rendu compte qu'ils sont généralement composés d'une section amorphe et d'une section cristalline. Ils ont découvert que l'étirement du polymère augmentait la conductivité dans le sens de l'étirement, mais pas dans le sens perpendiculaire, et cet étirement a réaligné les segments cristallins pour mieux conduire.

Les conducteurs de protons biologiques existent dans la nature, y compris la soie, kératine, collagène, mélanine et albumine de sérum bovin; cependant, le matériau synthétique inspiré des dents de calamar a conduit bien mieux que n'importe laquelle des protéines naturelles.

"Notre objectif est de comprendre les règles de conception des conducteurs de protons biologiques afin de pouvoir créer une protéine synthétique aussi bonne qu'un conducteur de protons non biocompatible, " dit Demirel. " Alors, pouvons-nous faire une auto-guérison, stimulateur cardiaque flexible de ce type d'appareil ? Pouvons-nous fabriquer des dispositifs bioélectroniques protoniques ?"