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Biomaterial dehnt sich wie ein Muskel
Viele Forschungsgruppen versuchen, Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie Muskeln zu entwickeln. Eine der großen Schwierigkeiten besteht darin, alles mit genau der richtigen muskelähnlichen Elastizität zu schaffen – seine Fähigkeit, die Form zu ändern, während es einer großen Belastung standhält. Jetzt haben Forscher der University of British Columbia (UBC) in Vancouver, Kanada, ein Material auf Proteinbasis synthetisiert, das sich genau wie das Original dehnt.
Muskulös: Ringe aus proteinbasierten Hydrogelen sind im ultravioletten Licht (oben) und im normalen Licht (unten) dargestellt.
Das neue Material erreicht die Elastizität von Muskeln, indem es die mikroskopische Struktur eines riesigen Muskelproteins namens Titin nachahmt. Die Struktur von Titin ähnelt einer Kette mit Kügelchen – Kügelchen aus gefalteten Proteinsequenzen sind durch schlaffe, unstrukturierte Sequenzen verbunden. Hongbin Li, ein Chemiker an der UBC, und seine Kollegen konstruierten das neue Material, das diese Struktur nachahmt. Sie wählten eine mechanisch stabile Proteinsequenz, die sich zu Globuli zusammenfaltet, und ein anderes Protein namens Resilin, das als Floppy-Verbindung dient.
Das Ergebnis war ein Mini-Titin – ein Protein, das strukturell dem Titin ähnelte, aber viel kleiner ist, sagt Li. Die Forscher verknüpften die einzelnen Proteinstränge chemisch zu einem Hydrogel – einem leichten, festen Material, das hauptsächlich aus Wasser besteht – und testeten anschließend die mechanischen Eigenschaften des Materials. Das Team beschreibt die Arbeit in einer aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Natur .
Als sie das Material testeten, stellten Li und seine Kollegen fest, dass es sich wie echtes Muskelgewebe verhielt. Wenn es etwas gedehnt wird, federt es wie ein elastisches Gummiband zurück. Bei stärkerer Dehnung entfalten sich die perlenartigen Proteindomänen, und es gibt etwas Energie ab, bevor es in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
Es ist eine schöne Entwicklung in Richtung des Aufbaus eines künstlichen Muskels, sagt der Physiker David Weitz von der Harvard University, dessen Gruppe die Struktur von Muskelproteinnetzwerken untersucht. Andere Gruppen arbeiten daran, elektroaktive Polymere herzustellen, die sich bei Stimulation durch ein elektrisches Signal zusammenziehen, damit der Muskel kontrolliert werden kann. Das aktuelle Material hat diese Funktion nicht, aber das wäre der nächste Schritt, sagt Weitz.
Künstliche Muskeln könnten eines Tages als Gerüst für den Muskelaufbau verwendet werden, um Schäden bei Patienten zu reparieren; in biologisch verträglichen Geräten für medizinische Anwendungen; sogar Roboter ohne Motoren zu steuern. Da Proteine jedoch bei hohen Temperaturen und unter rauen Umgebungsbedingungen dazu neigen, sich aufzulösen, sind sie für industrielle Anwendungen nicht ideal.