Väitös, biotekniikka, MSc Mengjie Shen

Väitöskirjan nimi: Phase-separation mediated self-assembly as a route to protein-based biomaterials 

Väittelijä: Mengjie Shen
Vastaväittäjä: professori Jan K. Rainey, Dalhousie University, Kanada
Kustos: professori Sesilja Aranko, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Luonnossa esiintyy monenlaisia proteiinipohjaisia materiaaleja, joilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia. Esimerkkejä ovat lujat hämähäkinsilkit ja kollageenipitoiset rakenteet. Nämä materiaalit muodostuvat proteiinien itsejärjestymisen kautta, mutta vastaavien prosessien jäljittely ja hallinta laboratoriossa on edelleen haastavaa. Proteiinien järjestäytymisen ja itsejärjestymisen parempi ymmärtäminen voisi auttaa tutkijoita kehittämään uusia materiaaleja uusiutuvista biologisista rakennuspalikoista.

Nestefaasierottelu (engl. *liquid–liquid phase separation*, LLPS) on herättänyt kasvavaa kiinnostusta prosessina, joka voi vaikuttaa proteiinien järjestäytymiseen. Siinä alun perin tasalaatuinen liuos jakautuu kahdeksi nestefaasiksi: proteiinirikkaaksi, konsentroituneeksi faasiksi ja proteiiniköyhäksi, laimeaksi faasiksi. LLPS osallistuu biologisten molekyylien järjestäytymiseen, ja sitä on tutkittu myös keinona vaikuttaa proteiinipohjaisten materiaalien muodostumiseen.

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin kahta luonnonmateriaaleista inspiroitunutta proteiinimallijärjestelmää: rekombinanttisia kollageeneja ja hämähäkkisilkkiä muistuttavia proteiineja. Kollageeneja käytettiin tutkimaan, miten faasierottuminen liittyy kolmoiskierteisten rakenteiden muodostumiseen, rakenteelliseen stabiilisuuteen ja korkeamman asteen rakenteiden muodostumiseen. Hämähäkkisilkkiä muistuttavien proteiinien avulla tutkittiin, miten polymeeriketjun pituus vaikuttaa faasierottumiskäyttäytymiseen.

Tulokset osoittivat, että faasierottuminen voi edistää rekombinanttisten kollageenien järjestäytymistä kolmoiskierteisiksi rakenteiksi ja korkeamman asteen rakenteiksi. Proteiinien fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien erot olivat yhteydessä eroihin niiden faasierottumiskäyttäytymisessä ja lämpöstabiilisuudessa. Tutkimus osoitti myös, että polymeeriketjun pituus vaikuttaa faasierottumiskäyttäytymiseen, muun muassa faasierottumiseen tarvittaviin olosuhteisiin ja muodostuvien proteiinirikkaiden nestepisaroiden ominaisuuksiin.

Yhdessä nämä tulokset syventävät ymmärrystä siitä, miten proteiinien ominaisuudet vaikuttavat faasierottumiseen ja itsejärjestymiseen. Pidemmällä aikavälillä tämä tieto voi auttaa tutkijoita ymmärtämään ja hallitsemaan paremmin proteiinipohjaisten materiaalien muodostumista sekä kehittämään materiaaleja, joiden ominaisuuksia voidaan mukauttaa erilaisiin käyttötarkoituksiin.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.