Phosphorylation of fibrous materials as a “green” method of their functional diversification

Abstract

The need for the material diversification is typically demanded in research and industry, and it stems from the particular applications of the given material. The current work describes three successful applications of in vitro enzymatic modification of fibrous materials. The chosen materials are silk fibroin (SF) from Bombyx mori (domesticated silkworm) and human hair keratin; the modification is phosphorylation with an ATP as a source of exogenous phosphate group. Protein kinase A from bovine source was the enzyme of choice. Natural fibrous materials are known for their outstanding mechanical properties, environmental stability, biocompatibility and shape control. In the last decades, the knowledge on both SF and keratin has considerably increased, regarding their fine structure and molecular biology, similarly to their practical applications in the field of biotechnology. Produced through sustainable, relatively simple and cheap processes, the natural fibrous materials are one of the main raw sources for biomaterial production. Unlike many biologically derived proteins, both silk and keratin are inherently stable to environmental changes and are mechanically robust. Silk and keratin contain several functional groups on the backbone and side chains of their constituting proteins, therefore exerting an ideal components for production of different protein-derived biomaterials. Therefore, it was of our interest to explore the possibility of “green” treatment of SF and keratin for biomedical (SF) and cosmetic (keratin) applications. The piece of evidence, presented in this thesis, strongly support the idea of enzymatically-mediated in vitro modification of both materials. Although high enzymatic specificity, accompanied by steric hindrance, resulted in somewhat low levels of phosphorylation, it was sufficient to cause considerable structural (SF) and chemical (SF and keratin) changes. The obtained results indicate that kinases can be potentially used to diversify both fibrous material types for a wide range of applications. This is particularly important in the fields of biocompatible devices, or any implementations, designed towards a contact with living tissue.

A diversificação de materiais é normalmente necessária na indústria e investigação, devido ás aplicações específicas de um dado material. O presente trabalho descreve três aplicações bem sucedidas de modificação enzimática in vitro de materiais fibrosos. Os materiais escolhidos são fibroína de seda (SF) de Bombyx mori (bicho-da-seda domesticado) e queratina do cabelo humano; a modificação é a fosforilação com ATP como uma fonte exógena do grupo fosfato. A proteina quinase A de origem bovina foi a enzima escolhida. Materiais fibrosos naturais são conhecidos por suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade ambiental, biocompatibilidade e controlo de forma. Nas últimas décadas, o conhecimento sobre a SF e a queratina tem aumentado consideravelmente, quer em relação à sua estrutura microscópica e sua biologia molecular, quer às suas aplicações práticas no campo da biotecnologia. Produzido através de processos sustentáveis, relativamente simples e baratos, os materiais fibrosos naturais são uma das principais fontes de matérias para a produção de biomateriais. Ao contrário de muitas proteínas derivadas biologicamente, tanto a seda e a queratina são inerentemente estáveis a mudanças ambientais e são robustas mecanicamente. A seda e a queratina contêm vários grupos funcionais sobre as cadeias principais e laterais das proteínas que as constituem, exercercendo assim componentes ideais para a produção de diferentes biomateriais derivados de proteínas. Portanto, era do nosso interesse explorar a possibilidade do uso de tratamentos "verdes" de SF e queratina para aplicações biomédicas (SF) e para o desenvolvimento de cosméticos (queratina). As evidências, apresentadas nesta tese, apoiam fortemente a ideia da possibilidade de modificação in vitro mediada enzimáticamente de ambos materiais. Embora a alta especificidade enzimática, aliada ao impedimento estérico, resultou em níveis relativamente baixos de fosforilação, estes foram suficientes para causar alterações estruturais (SF) e químicas (SF e queratina) consideráveis. Os resultados obtidos indicam que quinases podem ser potencialmente utilizadas para diversificar ambos os tipos dos materiais fibrosos utilizados em uma ampla gama de aplicações. Tal consideração é particularmente importante nas áreas de dispositivos biocompatíveis, ou qualquer implementações, concebidos para um contacto com tecidos vivos.