DE69615179T2

DE69615179T2 - Elektrische energieempfindliche polymere

Info

Publication number: DE69615179T2
Application number: DE69615179T
Authority: DE
Inventors: Dan W. Urry
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2016-06-08
Also published as: WO1997023729A1; DE69615179D1; AU6266596A; EP0830509A4; EP0830509A1; JPH11508274A; EP0830509B1; US5900405A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Polymeren und insbesondere Polymeren, deren physikalische Eigenschaften als Ergebnis einer Änderung des elektrochemischen Potentials in der Umgebung der Polymere variieren, sowie deren Verwendung in Abhängigkeit von der Fähigkeit der Polymere, auf Redox-Änderungen anzusprechen.

Hintergrund

Bioelastomere Polypeptide sind eine relativ neue Ent Wicklung, die in den Laboratorien eines der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes (Dan W. Urry) entstanden ist, und sie werden in einer Reihe bereits eingereichter Patente und Patentanmeldungen offenbart. Beispielsweise beschreibt US-Patent Nr. 4.474.851 eine Anzahl von Tetrapeptid- und Pentapeptid-Grundeinheiten, die verwendet werden können, um ein bioelastisches Polymer zu bilden. Spezifische bioelastische Polymere werden auch in den US- Patenten Nr. 4.132.746, Nr. 4.187.852, Nr. 4.589.882 und Nr. 4.870.055 offenbart. US- Patent Nr. 5.064.430 beschreibt Polynonapeptid-Bioelastomere. Bioelastische Polymere werden auch in verwandten Patenten offenbart, die Peptid-Grundeinheiten enthaltende Polymere betreffen, die für andere Zwecke hergestellt werden, die aber auch bioelastische Segmente im End-Polymer enthalten können: US-Patente Nr. 4.605.413, Nr. 4.976.734 und Nr. 4.693.718 mit dem Titel "Polymer", US-Patent Nr. 4.605.413, Nr. 4.976.734 und Nr. 4.693.718 mit dem Titel "Stimulation of Chemotaxis by Chemotactic Peptides"; Nr. 4.898.926 mit dem Titel "Bioelastomer Containing Tetra/Pentapeptide; Units"; Nr. 4.783.523 mit dem Titel "Temperature Correlated Force and Structure Development of Elastin Polytetrapeptide"; Nr. 5.032.271, Nr. 5085.055 und Nr. 5.255.518 mit dem Titel "Reversibel Mechanochemical Engines Comprised of Bioelastomers Capable of Modulable Temperatur Transitions for the Interconversion of Chemical and Mechanical Work"; Nr. 4.500.700 mit dem Titel "Elastomeric Composite Material Comprising a Polypeptide"; und Nr. 5.520.516 mit dem Titel "Bioelastomeric Materials Suitable for the Protection of Wound Repair Sites". Eine Anzahl anderer bioelastischer Materialien und Verfahren für ihre Verwendung werden in schwebenden US-Patentanmeldungen beschrieben, darunter US-Seriennr. 07/184.873 (WO-A-8910100), eingereicht am 22. April 1988 mit dem Titel "Elastomeric Polypeptides as Vascular Prosthetic Materials". Alle diese Patente beschreiben im Detail Bioelastomere und/oder Komponenten davon sowie ihre Herstellung, wie sie in den Zusammensetzungen und Verfahren gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden können. Diese bioelastischen Materialien sind für eine Reihe von Verwendungen und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, wie durch den allgemeinen Gegenstand der oben angeführten Anmeldungen und Patente angegeben. Die bioelastischen Zusammensetzungen und Maschinen, die in den Laboratorien eines der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes entwickelt wurden, sprechen auf Druckänderungen, chemische und/oder thermische Änderungen in der Umgebung durch Phasenübergänge (z. B. Viskositäts- und Trübheitsänderungen) oder durch Zusammenziehen oder Entspannen an, wodurch diese Energien reversibel in mechanische Arbeit übergeführt werden. Beispielsweise werden Polymere und Maschinen, die zu baromechanischen (Druck-zu-Mechanik), barochemischen und barothermalen Transduktionen bzw. Energieumwandlungen fähig sind, für Anwendungen wie Sensoren, Aktuatoren und Entsalzer eingesetzt (siehe US-Patent Nr. 5.226.292).
Es gibt eine Reihe von Publikationen, die Polymere beschreiben, die die Fähigkeit aufweisen, auf vorbestimmte Weise auf elektrochemische Stimulation anzusprechen. Beispielsweise findet sich bei Urry, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32, 819-941 (1993), ein Überblick durch einen der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes, der beschreibt, wie Bewegung und andere physikalische Änderungen von Bioelastomeren aus einer Vialzahl reversibler (und irreversibler) chemischer Veränderungen (einschließlich Redox-Reaktionen) in der Struktur der bioelastomeren Polymere resultieren können. US- Patentanmeldung Nr. 08/187.441 beschreibt diese Redox-Änderungen (als Teil ihrer Offenbarung, die hauptsächlich photochemische Änderungen betrifft). Bioc. Biophys. Res. Comm, 210(3), 1031-1039 (1995), beschreibt ein Multimer eines Pentapeptids mit 2 funktionellen Gruppen - dem Carboxyl eines Asparaginsäurerests und einem N-Methylnicotinamid (NMeN), das an eine E-Aminogruppe eines Lysins gebunden ist. Es wird berichtet, dass die Zufuhr elektrochemischer Energie in Form der Reduktion des Nicotinamids zu einer Verschiebung der Temperatur des inversen Temperaturübergangs führt.
Demgemäß besteht weiterhin Bedarf an elastomeren Polymeren, in denen Phasenübergänge, mechanische Aktivität oder freie Energietransduktionen auf relativ saubere, "ferngesteuerte" und präzise Weise im Makro- und Mikrobereich herbeigeführt und moduliert werden und bei denen Eigenschaften wie Biokompatibilität, Hysterese, Halbwertszeit, Elastizitätsmodul, definierte Polymergröße, Energieumwandlungseffizienz, biologische Funktion (z. B. Chemotaxis) und Polymerstruktur leicht erhalten und fein eingestellt werden können. Die vorliegende Erfindung stellt diese und andere Vorteile bereit, indem sie Proteinpolymere und bioelastische Polymere auf Proteinbasis bereitstellt, die auf Veränderungen des elektrochemischen Potentials in der Umgebung ansprechen, um elektrische Energie in gewinnbare Arbeit umzuwandeln, und indem sie Maschinen bereitstellt, die diese Polymere enthalten.

Literatur

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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Bioelastomere und eine neue Verwendung bioelastischer Materialien, nämlich als Teil eines Systems, in dem als Ergebnis eines Ansprechens des bioelastischen Materials auf eine Änderung des elektrochemischen Potentials mechanische, chemische, durch elektromagnetische Strahlung oder Druck bewirkte Arbeit erfolgt (oder eine davon oder alle erfolgen) oder umgekehrt (d. h. das Verfahren kann reversibel sein). Das Ansprechen besteht typischerweise in einer chemischen Änderung (Bildung oder Trennung von Bindung), und diese Veränderung führt zu einer Änderung der mechanischen Eigenschaften (und anderer Eigenschaften) des Polymers. Die Erfindung stellt Protein und Bioelastomere auf Proteinbasis bereit, die als Reaktion auf eine Änderung des Einwirkens elektrischer Energie in ihren verschiedenen Formen einen Phasenübergang, wie z. B. eine Phasentrennung, eine Transduktion freier Energie oder Kontraktion oder Relaxation erfahren können. Neben der allgemeinen Beschreibung von Polymeren, die diese Eigenschaften aufweisen, und ihrer Verwendung wird auch eine Reihe spezifischer Verbesserungen gegenüber früheren Polymeren bereitgestellt.
Weiters ist es ein Ziel der Erfindung, die Konstruktionsparameter zu beschreiben, durch die die Bedingungen für Phasenübergang, Transduktion freier Energie oder Kontraktion und Expansion einer Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung fein reguliert und eingestellt werden können. Derartige Konstruktionsparameter sind zuvor für andere Typen der Energie-Wechselwirkung mit Polymeren beschrieben worden und werden hier auf Redox-Polymere angewandt.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung, wie sie in der Folge deutlicher werden, sind erreicht worden, indem eine Zusammensetzung bereitgestellt wurde, die einen Phasenübergang, eine Änderung im Absorptionsvermögen, oder Kontraktion oder Relaxation als Reaktion auf eine Änderung der elektrischen Energie erfahren kann, wobei die Zusammensetzung ein Protein-Polymer oder ein bioelastisches Polymer auf Proteinbasis umfasst, das Elastomereinheiten enthält, die aus der aus bioelastischen Peptideinheiten bestehenden Gruppe ausgewählt sind, worin zumindest ein Teil der bioelastischen Einheiten zumindest einen Aminosäurerest enthält, der eine Seitenketten-Substitution aufweist, die auf elektrische Energie reagiert, um eine ausreichende Änderung der Polarität oder Hydrophobie der Seitenkette zu bewirken, um für eine Modulation des inversen Temperaturübergangs des bioelastischen Polymers zu sorgen. Bevorzugte bioelastische Peptideinheiten sind bioelastische Tetrapeptide, Pentapeptide und Nonapeptide, wie in den verschiedenen hierin zitierten Publikationen zitiert, aus den Labors der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Zusammensetzungen bereitzustellen, die zu Energietransduktionen vom Tt-Typ zweiter Ordnung fähig sind, an denen elektrische Energie beteiligt ist. Derartige Zusammensetzungen umfassen ein auf Elektrizität ansprechendes Protein oder Bioelastomer auf Proteinbasis, worin eine bioelastische Einheit weiters einen zweiten Aminosäurerest umfasst, der eine Seitenkette oder substituierte Seitenkette aufweist, die als Reaktion auf die elektrisch herbeigeführte Reaktion der ersten ansprechenden Seitenkette in einer wässrigen Umgebung eine Änderung (z. B. eine chemische, photochemische oder Konformations-Änderung) erfahren kann. Die bioelastische Einheit mit der zweiten Aminosäure kann die gleiche Einheit sein, die die ansprechende Seitenkette enthält, oder kann eine eigene Einheit sein (z. B. in einem Copolymer).
Die Übergangseigenschaften der Bioelastomere können durch Veränderungen gesteuert werden, die Folgendes umfassen: (a) das geeignete Variieren der chemischen Zusammensetzung der reaktiven Seitenkette(n) oder des Paars der zweiten Seitenkette(n), um eine Änderung der Hydrophobie und/oder Polarität der ansprechenden Seitenkette bei Einwirken elektrischer Energie oder im zweiten Seitenketten-Paar zu bewirken, (b) das Variieren des Molenbruchs der ansprechenden Seitenketten-Substituenteneinheiten im Gesamt-Polymer, (c) das Variieren des Molenbruchs des zweiten Seitenketten-Paars, (d) das Variieren der Zusammensetzung der anderen Aminosäurereste, (e) das Variieren der Position, Ausrichtung und Bindung der ansprechenden Seitenkette(n) in Bezug auf das zweite Seitenketten-Paar, (f) das Variieren der Gesamt-Hydrophobie der bioelastischen Einheit, und (g) das Variieren der Anzahl, Position, Ausrichtung und Bindung anderer hydrophober Seitenkette(n) in Bezug auf das zweite Seitenketten-Paar.
Die bioelastischen Polymere, wie gemäß vorliegender Erfindung beschrieben, können bei Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden, in denen mechanische, chemische, mit Druck in Zusammenhang stehende oder elektromagnetische Veränderungen als Ergebnis von Veränderungen im Polymer auf eine Änderung des Einwirkens elektrischer Energie erfolgen. Das Ansprechen (und die nachfolgende Polymeraktivität) kann durch die Wahl elektrisch ansprechender Substituenten und zweiter Paar-Substituenten entweder reversibel oder irreversibel herbeigeführt werden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, Protein-Molekularmaschinen erster Ordnung vom Tt-Typ und Molekularmaschinen erster Ordnung vom Tt-Typ auf Proteinbasis bereitzustellen, die als Reaktion auf eine Änderung im Einwirken elektrischer Energie zu elektromechanischer Transduktion fähig sind, um gewinnbare Arbeit zu verrichten.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Protein-Molekularmaschinen zweiter Ordnung vom Tt-Typ und Molekularmaschinen zweiter Ordnung vom Tt-Typ auf Proteinbasis bereitzustellen, die zu elektrochemischen, elektrothermalen, elektromagnetischen oder elektrobaren Energietransduktionen als Reaktion auf eine Änderung im Einwirken elektrischer Energie fähig sind, um gewinnbare chemische, thermische, elektrische oder mit Druck in Zusammenhang stehende Arbeit zu verrichten.
Das Ansprechen der Protein-Polymeren und bioelastischen Polymere auf Proteinbasis gemäß vorliegender Erfindung sowie von Vorrichtungen, die diese umfassen, auf elektrische Energie ermöglicht die relativ saubere, ferngesteuerte und präzise Herbeiführung und Modulation von Polymereigenschaften sowohl im Mikro- als auch im Makrobereich. Mit "ferngesteuert" ist gemeint, dass das Polymer ohne direkten physikalischen Kontakt mit ihm selbst oder seiner wässrigen Umgebung moduliert werden kann. Die Faltung oder Entfaltung der bioelastischen Polymere gemäß vorliegender Erfindung zeigt keine Hysterese, und demgemäß werden die Energietransduktionen und die Arbeit, die von den bioelastischen Polymeren verrichtet werden, wiederholt und reproduzierbar erzielt. Außerdem kann die chemische und physikalische Struktur der bioelastischen Polymere gemäß vorliegender Erfindung leicht eingestellt werden, um das bioelastische Polymer "auzubalancieren" ("poising"), um das Ausmaß an Faltung oder Entfaltung (und so die verrichtete Arbeit) als Reaktion auf elektrische Energie zu erhöhen oder zu verringern. Bei Polymeren gemäß vorliegender Erfindung, die fähig sind, elektrochemische Transduktionen zweiter Ordnung vom Tt-Typ zu erfahren, sorgt das Ausbalancieren für eine effizientere Umwandlung von elektrische Energie in chemische Energie als dies zuvor möglich war. Protein- und bioelastische Polymere auf Proteinbasis, wie gemäß vorliegender Erfindung gelehrt, können so beschaffen sein, dass sie zahlreiche Vorteile aufweisen, einschließlich biologischer Stabilität, biologischer Funktion und definierter Polymergröße. Diese Vorteile werden gemäß vorliegender Erfindung erreicht, indem Polymere bereitgestellt werden, die aus leicht erhältlichen und gekoppelten Monomereinheiten, d. h. Aminosäuren, besteht, die selbst vielerlei Strukturen und chemische Eigenschatten aufweisen und deren Seitenkettengruppen leicht so modifiziert werden können, dass sie Gruppen enthalten, die aus der langen Reihe gut untersuchter Moleküle ausgewählt sind, die auf elektrische Energie ansprechen. Weiters können in vorteilhafter Weise Techniken des rekombinanten Peptid-Engineerings eingesetzt werden, um spezifische bioelastische Peptid-Grundgerüste zu erzeugen, entweder die bioelastischen Einheiten oder nicht-elastischen biofunktionellen Segmente, die chemisch modifiziert werden können, um auf Elektrizität ansprechende Gruppen zu enthalten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein auf elektrische Energie ansprechendes bioelastisches Polymer bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
ein bioelastomeres Polypeptid mit einem inversen Temperaturübergang, das eine Bioelastomer-Grundeinheit enthält, die eine β-Faltung enthält, worin die Bioelastomer- Einheiten aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und worin zumindest ein Aminosäurerest in der Bioelastomer-Einheit an ein Dinukleotid gebunden ist, um eine Seitenkette zu bilden, die auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie anspricht, was eine Veränderung der Polarität oder Hydrophobie der Seitenkette bewirkt, und die in ausreichender Menge vorhanden ist, um für eine Verschiebung der Temperatur des inversen Temperaturübergangs des Polymers bei Änderung des Einwirkens von elektrischer Energie zu sorgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Zusammensetzung bereitgestellt, die sich bei einer Änderung im Einwirken von Lichtenergie ausdehnt oder zusammenzieht, welche Folgendes umfasst:
ein Polymermaterial mit einem inversen Temperaturübergang, worin das Polymer Bioelastomer-Grundeinheiten umfasst, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und worin zumindest ein Teil der Bioelastomer-Grundeinheiten im Polymer an ein Dinukleotid gebunden sind, um eine auf Elektrizität ansprechende Seitenkette zu bilden, die auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie anspricht, um eine Änderung der Polarität oder Hydrophobie der Seitenkette zu bewirken, und die in ausreichender Menge vorhanden ist, um für eine Verschiebung der Temperatur des inversen Temperaturübergangs des Polymers bei der Änderung im Einwirken von elektrischer Energie zu sorgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit bereitgestellt, welches Folgendes umfasst:
das Ändern des Einwirkens von elektrischer Energie auf ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung, worin das Polymer so eingegrenzt ist, dass eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen des Polymers mechanische Arbeit erzeugt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Arbeit bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung;
Mittel zum Eingrenzen des Polymers, worin die Ausdehnung des Polymers mechanische Arbeit erzeugt; und
Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das Polymer, wodurch ein Änderung der elektrischen Energie bewirkt, dass sich das Polymer ausdehnt und die mechanische Arbeit erzeugt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer pH-Änderung in einer Umgebung bereitgestellt, welches Folgendes umfasst:
das Anordnen eines bioelastischen Polymers gemäß vorliegender Erfindung in der Umgebung, worin zumindest ein Teil der Bioelastomer-Einheiten des bioelastischen Polymers zumindest einen Aminosäurerest mit einer Seitenkette enthält, die in der Lage ist, reversible Protonierung zu erfahren, und
das Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf die Umgebung, wodurch die Änderung der elektrischen Energie eine Änderung im pKa des Polymers und in der Umgebung eine daraus resultierende Änderung im pH bewirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von pH-Änderungen in einer Umgebung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung; und
Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das Polymer, wodurch die Änderung der elektrischen Energie bewirkt, dass das Polymer eine Änderung im pKa erfährt und in der Umgebung eine pH-Änderung bewirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Vorrichtung zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Arbeit bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
a) ein Gehäuse, das ein Bioelastomer-Material enthält, das in der Lage ist, sich als Reaktion auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie zu strecken, wodurch Wasser mit verringertem Salzgehalt in das Bioelastomer-Material gelangen kann, während solvatisierte Salzionen im Wesentlichen daran gehindert werden, hineinzugelangen,
b) Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das bioelastische Polymer im Gehäuse,
c) Mittel zur Aufnahme des Meerwassers oder Brackwassers in das Gehäuse, Mittel zum Ableiten von konzentriertem Salzwasser aus dem Gehäuse sowie Mittel zum Ableiten von entsalztem Wasser aus dem Gehäuse;
worin das Bioelastomer-Material ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung ist, das in der Lage ist, sich durch eine durch elektrische Energie herbeigeführte Verschiebung des inversen Temperaturübergangs reversibel zusammenzuziehen und zu entspannen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung und die Zeichnungen leichter zu verstehen, die TeH der vorliegenden Beschreibung sind und worin:
Fig. 1 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Molenbruch der hydrophoben oder polaren Einheiten und somit der relativen Hydrophobie oder Polarität dieser Einheiten und der Temperatur des inversen Temperaturübergangs ist.
Fig. 2 eine grafische Darstellung der nicht-linearen Beziehung zwischen der Hydrophobie der Bioelastomer-Einheit (beispielhaft dargestellt durch die Anzahl an in der Einheit vorhandenen Phenylalanin-Resten) und der durch Hydrophobie herbeigeführten pKa- Verschiebung ist.
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Energietransduktionen vom Tt-Typ ist.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die durch Elektrizität herbeigeführte Wirkung der vorliegenden Erfindung tritt bei Protein-Polymeren und bioelastischen Polymeren auf Proteinbasis auf, die einen inversen Temperaturübergang zeigen. Vorzugsweise tritt der Übergang im Bereich von flüssigem Wasser auf. Protein- und bioelastische Polymere auf Proteinbasis, die einen inversen Temperaturübergang aufweisen, der ein Phasenübergang in einen kondensierten Zustand höherer Ordnung in Wasser bei zunehmender Temperatur ist, sind typischerweise Polymere, die sowohl polare als auch hydrophobe Bereiche umfassen. Diese bioelastischen Polymere werden in der vorliegenden Beschreibung im Detail beschrieben, sind aber auch (ohne die reaktive Gruppe) in den verschiedenen oben angeführten Patenten und anderen Dokumenten beschrieben, die sich mit den Entwicklungen beschäftigen, die in den Labors der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes gelungen sind.
Beispiele für eine Redoxpaar-Gruppe, die zu einer Änderung im Oxidations/Reduktionszustand fähig sind, umfassen ein Dinukleotid, z. B. von Nicotinamid (NAD) oder eines Flavins (FAD). Wenn eine druckempfindliche, aromatische, funktionelle Gruppe oxidiert oder reduziert wird, zeigt das bioelastomere Polymere baroelektrische Transduktion - oder piezoelektrische Effekte. Beispielsweise ist herausgefunden worden, dass die Bindung eines Flavin-Adenin-Dinukleotids (FAD) von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) über eine Amidbindung an eine Glu-Carboxygruppe in der bioelastomeren Polymerkette ein Polymer auf Proteinbasis ergibt, dessen Übergangstemperatur sich bei der Reduktion ändert.
Ansprechende Seitenketten und ihre Substituenten werden so gewählt, dass sie entweder einen Anstieg der Temperatur, bei der sich das Bioelastomer faltet (Tt), oder eine Verringerung der 7 ergeben. Somit kann sich ein Bioelastomer als Reaktion auf eine Änderung im Einwirken elektrischer Energie entweder ausdehnen oder zusammenziehen oder einen Phasenübergang erfahren, der beispielsweise zu einer trüben oder einer nicht-trüben Lösung führt. Ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung kann mehr als eine Art von auf Elektrizität ansprechenden Seitenketten enthalten, die sich beispielsweise durch das elektrische Potential unterscheiden können, das notwendig ist, um jede elektrochemische Reaktion zu bewirken.
Mit "auf elektrische Energie ansprechend" ist gemeint, dass bei einer Änderung des Einwirkens elektrischer Energie, z. B. Änderung der Ladungsdichte, des elektrischen Potentials oder das Vorhandensein oder Fehlen von Elektronen, die für die Reaktion verfügbar sind, eine chemische Reaktion, z. B. Ionisierung, Oxidation, Reduktion, Protonierung, Spaltung, Phosphorylierung usw., Konfigurations-, z. B. cis-trans-Isomerisierung, oder andere chemische Veränderung an der Seitenkettengruppe erfolgt.
Außerdem ist, da die Tt eines Proteins oder Bioelastomers auf Proteinbasis gemäß vorliegender Erfindung durch eine Änderung im Einwirken elektrischer Energie moduliert werden kann (im Wesentlichen führt die elektrische Energie zu einer Änderung der Polymer-Zusammensetzung ohne Synthese eines neuen Polymers), die Reaktion, z. B. das Zusammenziehen/Ausdehnen, der Phasenübergang des Bioelastomers infolge äußerlicher oder innerer Veränderungen, z. B. Druck, pH, Salz, Konzentration, organische gelöste Stoffe, ihrerseits modulierbar. Diese Eigenschaft kann nun genutzt werden, um mechanische, chemische, thermische oder mit Druck in Zusammenhang stehende Arbeit zu erzeugen, wie hierin beschrieben.
Das auf Elektrizität ansprechende Protein oder bioelastische Polymer auf Proteinbasis gemäß vorliegender Erfindung weist die unerwartete Eigenschaft der "Ausbalancierens" ("poising") auf, d. h. das gleiche Ausmaß an Änderung der Hydrophobie, die durch die Reaktion aufgrund der elektrischen Energie herbeigeführt wird, bewirkt in Bezug auf andere Werte, wo wenig Veränderung erfolgt, eine vergleichsweise stärkere Polymerreaktion, wenn die Hydrophobieänderung so gewählt (d. h. ausbalanciert) ist, dass sie bei einem vorbestimmten Wert erfolgt. Die Transduktion elektrischer Energie ist bei ausbalancierten Polymeren effizienter. Das Ausbalancieren des Ansprechens des Bioelastomers auf Elektrizität kann erzielt werden, indem die Gesamt-Hydrophobie der bioelastischen Einheit erhöht wird, wenn die Reaktion auf Elektrizität zu einer Zunahme der Hydrophobie der auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette führt. Ein Ausbalancieren wird auch erreicht, indem eine höhere Anzahl an hydrophoben Gruppen in größerer Nähe zur auf Elektrizität ansprechenden Einheit angeordnet wird, die eine Hydrophobie-Änderung erfährt, oder zum zweiten Seitenketten-Paar, das in Polymeren für Elektrotransduktionen vom Tt-Typ zweiter Ordnung vorhanden ist. Alternativ dazu wird Ausbalancierung erzielt, indem polare Gruppen in der Elastomer-Einheit verstärkt oder angeordnet werden, wenn die auf Elektrizität ansprechende Gruppe eine Steigerung der Polarität erfährt.
Die Erfindung kann zwar mit einer Reihe unterschiedlicher Protein-Polymere oder Polymere auf Proteinbasis durchgeführt werden, die vorliegende Beschreibung stellt jedoch die Erfindung beispielhaft dar, indem sie sich auf die Klasse von Polymeren konzentriert, die ursprünglich vom Erfinder identifiziert und in der Folge wie hierin gelehrt modifiziert wurde, um neue auf Elektrizität ansprechende Verbindungen, Zusammensetzungen und Vorrichtungen gemäß vorliegender Erfindung bereitzustellen.
Bioelastische Polypeptide sind bereits in einer Reihe von Patenten und Patentanmeldungen charakterisiert und beschrieben worden, wie oben angeführt. Diese Materialien enthalten entweder Tetrapeptid-, Pentapeptid- oder Nonapeptid-Monomere, die innerhalb des die Monomereinheiten enthaltenden Gesamt-Polypeptids individuell als Elastomer- Einheiten fungieren. Es wird angenommen, dass die Elastizität der Monomereinheiten auf eine Reihe von β-Faltungen in der Sekundärstruktur des Proteins, d. h. die Konformation ihrer Peptidkette, zurückzuführen ist, die durch zwischen den β-Faltungen eingebundene dynamische (im Gegensatz zu starren) Brückensegmente getrennt sind. Eine β- Faltung ist durch einen 10-atomigen Ring mit Wasserstoffbrückenbindung der folgenden Formel gekennzeichnet:
In dieser Formel stellen R&sub1; bis R&sub5; die Seitengruppen der jeweiligen Aminosäurereste dar. Der 10-atomige Ring besteht aus dem Carbonylsauerstoff der ersten Aminosäure, dem Aminowasserstoff der vierten Aminosäure und den dazwischenliegenden Hauptkettenatomen der Aminosäuren 2 und 3. In dieser dargestellten Monomereinheit sind die übrigen Hauptkettenatome der Kette (der Rest von Aminosäure 4, Aminosäure 5 und der erste Teil von Aminosäure 1 der nächsten Pentamereinheit) das Brückensegment, das zwischen benachbarten β-Faltungen eingebunden ist. Ähnliche Strukturen sind in elastomeren Peptideinheiten mit anderer Länge vorhanden. Andere Peptidstrukturen, wie z. B. β-Barrels, können bioelastischen Polymeren ebenfalls Elastizität verleihen. Bioelastizität wird durch Strukturen verliehen, die eine interne Dämpfung der Kettendynamik bei Polymerverlängerung verleihen, d. h. Oszillation oder die freie Drehbarkeit um Torsionswinkel oder Bindungen wird gedämpft. Die Dämpfung führt zu einer Reduktion der im verlängerten Zustand zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade.
Diese β-Faltungen enthaltende Struktur wird in den oben genannten älteren Patenten und Patentanmeldungen beschrieben und braucht hierin nicht erneut im Detail beschrieben werden. Beträchtliche Variation der Aminosäuren, die an verschiedenen Stellen in den Grundeinheiten vorhanden sind, ist möglich, solange die mehreren β-Faltungen mit intervenierenden, dazwischen eingebundenen Brückensegmenten beibehalten werden, um die Elastizität zu erhalten. Weiters ist es möglich, Polypeptide herzustellen, worin mit diesen Monomereinheiten ein größeres Polypeptid versetzt ist, das Peptidsegmente enthält, die für andere Zwecke bestimmt sind. Beispielsweise können starre Segmente enthalten sein, um den Elastizitätsmodul zu erhöhen, oder Segmente mit biologischer Aktivität (wie z. B. Chemotaxis oder Zellbindung) können wegen ihrer biologischen Aktivität enthalten sein. Es scheint nur jene Obergrenze für das Molekulargewicht geeigneter Polymere gemäß vorliegender Erfindung zu geben, die durch die Verfahren zur Herstellung dieser Polymere gegeben ist. Polymere, die bis zu etwa 250 Pentamere enthalten, sind aus E. coli unter Einsatz von DNA-Rekombinationsverfahren synthetisiert worden.
Diese bioelastomeren Materialien, die die protoypischen Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gyl&sup5;)- (hierin als "Poly(VPGVG)" bezeichnet) und Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Gyl&sup4;)-Moleküle umfassen, sowie zahlreiche Analoge bilden bei Kombination mit Wasser viskoelastische Phasen, die, wenn sie vernetzt werden, oft weiche, nachgiebige, elastomere Matrices ergeben (1-3). Es ist gezeigt worden, dass das Polypentapeptid auf VPGVG-Basis (und andere Bioelastomere) sowohl vor als auch nach dem Vernetzen biokompatibel ist (4). Als Implantate sind derartige bioelastische Polymere biologisch abbaubar und führen zur Freisetzung von Produkten, die für den Körper natürlich sind, wie z. B. kurzen Peptidketten und freien Aminosäuren. Diese Polymere, die auch als elastomere Polypeptid-Biomaterialien oder einfach bioelastische Materialien bezeichnet werden, können mit stark unterschiedlichen Wasserzusammensetzungen, in einem weiten Bereich der Hydrophobie, mit annähernd jeder gewünschten Form und Porosität und mit einem variablen Vernetzungsgrad hergestellt werden, indem unterschiedliche Aminosäuren für die verschiedenen Positionen der Monomereinheiten gewählt werden und indem das zur Bildung des Endprodukts eingesetzte Vernetzungsverfahren variiert wird, z. B. chemisch, enzymatisch oder durch Bestrahlung. US-Patent Nr. 4.589.882, das durch Verweis hierin aufgenommen ist, lehrt enzymatische Vernetzung durch Synthetisieren von Blockpolymeren mit enzymatisch vernetzbaren Einheiten.
Poly(VPGVG) weist einen inversen Temperaturübergang auf (24, 25), bei dem sich das Polypeptapeptid bei Erhöhung der Temperatur mit der Bildung einer dichten Phase, die als Koacervat-Phase bezeichnet wird, faltet und zu stärker geordneten Strukturen assembliert. Ein Arbeitsmodell für die gefaltete Molekülstruktur, das als dynamische β-Spirale bezeichnet wird, und die stark verwundene Anordnung aus mehreren β-Spiralen, um ein gewundenes Filament zu bilden, ist auf Basis physikalischer und computergestützter Verfahren entwickelt worden (24). Bei γ-Bestrahlungsvernetzung wird eine unlösliche elastische Matrix gebildet, worin bei Erhöhung der Temperatur die Molekülfaltung und -assembiierung als makroskopische Schrumpfung und Auspressen von Wasser aus der Matrix festzustellen ist. Da dieses thermisch angetriebene Zusammenziehen eingesetzt werden kann, um reversibel Gewichte zu heben, drückt die Matrix ihre thermisch angetriebene Faltung als reversible thermomechanische Transduktion aus (24). Die Temperatur, beider das Falten und Assemblieren erfolgt, kann verschoben werden, und so können Faltung und Assemblierung ohne Temperaturänderung erfolgen. Dies wird als ΔTt- Mechanismus bezeichnet (32).
Die Temperatur, bei der Faltung und Assemblierung erfolgen, kann mittels Durchführung einer Anzahl innerer oder äußerer Veränderungen vorgenommen werden. Die chemischen Veränderungen, die den Wert von Tt ändern können, können als innerlich oder äußerlich klassifiziert werden. Innerlich sind für eine Klasse von Modellproteinen mit einem Molekulargewicht von 50.000 Da oder mehr: (a) die Polymer-Konzentration selbst; (b) Änderungen in der Aminosäure-Zusammensetzung innerhalb der bioelastischen Polymereinheit, (c) Änderungen im Ionisierunggrad funktioneller Seitenketten, die durch pH-Änderungen gesteuert werden, (d) die Phosphorylierung von Seitenketten, wie z. B. Serin, durch als Kinasen bezeichnete Enzyme, (e) die elektrische, chemische oder enzymatische Oxidation oder Reduktion einer an das Polymer gebundenen Seitenkette, und (d) chemische Reaktionen von Seitenketten als Reaktion auf elektromagnetische Strahlung.
Im Bewusstsein der Konzentrationswirkung und bestimmter Konformationseinschränkungen kann die Wirkung der Änderung der Aminosäurezusammensetzung auf den Wert Tt bestimmt werden (siehe Fig. 1). Das Ergebnis ist eine Hydrophobie-Skala, die erstmals direkt auf dem hydrophoben Faltungs- und Assemblierungsvorgang von Interesse basiert. Das kann demonstriert werden, indem das Polypentapeptid Poly[fv(VPGVG), fx(VPGXG)] als Beispiel verwendet wird, worin fv und fx Molenbrüche sind, für die gilt: fx + fv = 1, und worin X ein natürlich vorkommender Aminosäurerest oder eine chemische Modifikationen davon ist und Tt als die Temperatur bei der Hälfte der maximalen Trübung definiert ist. Wie durch Auftragen von fx über Tt in Fig. 1 für alle natürlich vorkommenden Aminosäurereste zu erkennen ist, verringern stärker hydrophobe Reste als Val, wie z. B. Ile (I), Phe (F) usw. die Temperatur des Übergangs, während weniger hydrophobe Reste, wie z. B. Ala (A), Gly (G), und polare Reste, wie z. B. Asp (COO-) (D&supmin;), Lys (NH&sub3;&spplus;) (K&spplus;) usw., die Temperatur des Übergangs erhöhen (d. h. den Wert von Tt erhöhen). Die Kurven sind im Wesentlichen linear. Daher werden beim Extrapolieren der linearen Kurven zu fx = 1 Werte von Tt erhalten, die einen Index der relativen Hydrophobie ergeben (34 und 44, die beide durch Verweis hierin aufgenommen sind). Diese Werte sind in Tabelle 1 angegeben.
Die in Tabelle 1 angeführte Hydrophobie-Skala auf Basis von Tt ist für das Protein-Engineering bioelastischer Polymere gemäß vorliegender Erfindung nützlich. Wenn eine funktionelle Seitenkette oder Sequenz eingeführt wird, beispielsweise um eine bestimmte Transduktion freier Energie zu erreichen, kann der Wert X variiert werden, um den Wert von Tt nach Wunsch für die beabsichtigte Proteinfunktion zu festzulegen. Wenn eine bestimmte hydrophobe Seitenkette im wiederkehrenden Pentamer eines Proteinpolymers durch eine ersetzt wird, die eine zusätzliche hydrophobe CH&sub2;-Gruppe aufweist, wird der Wert von Tt, der Temperatur des inversen Temperaturübergangs, in direktem Verhältnis zur Anzahl an hinzugefügten CH&sub2;-Gruppen gesenkt. Wenn eine bestimmte hydrophobe Seitenkette im Proteinpolymer durch eine mit weniger SH&sub2;-Gruppen ersetzt wird, etwa wenn Val durch Ala ersetzt wird, wird der Wert von Tt in direktem Verhältnis zur Anzahl an entfernten CH&sub2;-Gruppen erhöht. Somit steht der Wert Tt in klarer Beziehung zur Hydrophobie, wobei niedrigere Werte von Tt stärkere Hydrophobie anzeigen und höhere Werte von Tt stärker polare oder weniger hydrophobe Reste anzeigen.

Tabelle 1

Temperatur des inversen Temperaturübergangs Tt für Poly[fv(VPGVP)fx(VPGXG)].
Die T.-Werte sind linear zu fx = 1 extrapoliert.
[a] NMeN steht für N-Methylnicotinamid, das an einer Lysyl-Seitenkette hängt, d. h. N- Methylnicotinat, das über Amidbindung and das &epsi;-NH&sub2; von Lysin gebunden ist. Der reduzierte Zustand ist ein N-Methyl-1,6-dihydronicotinamidrest. [b] Berechnet. [c] Dient als Bezugssubstanz.
Die hier angeführten Daten dienen nur als Bezug.
Zu äußerlichen chemischen Veränderungen, die Tt beeinflussen, zählen die Wirkung von Salzen, organischen gelösten Stoffen und Druck. US-Patent Nr. 5.226.292 aus dem Labor der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes beschäftigt sich im Detail mit Effekten, die mit dem Druck in Zusammenhang stehen. Außerdem gibt es eine Abhängigkeit von der Kettenlänge, die bei niedrigerem Molekulargewicht signifikant wird, wo kürzere Kettenlängen zu höheren Werten von Tt führen.
Das chemische Äquivalent zur Erhöhung der Temperatur, um Ordnung in diesen Molekülsystemen zu erreichen, die inverse Temperaturübergänge aufweisen, ist das chemische Senken der Übergangstemperatur Tt, bei der Faltung erfolgt. Indem das Polymer stärker hydrophob gemacht wird, z. B. Val¹→Ile¹, wird die Übergangstemperatur gesenkt; oder indem es stärker hydrophil gemacht wird, z. B. Val&sup4;→Ala&sup4; oder sogar Val&sup4;→Glu&sup4;COOH→Glu&sup4;COO&supmin;, wird die Übergangstemperatur (Tt) für die Koacervatphasenbildung erhöht. Für Poly[4(VPGVG),1(VPGE)], mit E = Glu, das zu Poly[0,8 (VPGVG),0,2(VPGE)] äquivalent ist, wird es in phosphatgepufferter Salzlösung möglich, die Übergangstemperatur für Faltung und Phasentrennung von etwa 20ºC für COOH auf etwa 70ºC für COO zu verschieben, und bei isothermen Bedingungen von 37ºC entspannt sich die vernetzte Matrix reversibel bei Erhöhung des pH auf etwa 7 und zieht sich beim Senken des pH auf etwa 3 zusammen (46). Dadurch können Gewichte gehoben werden; das ist chemomechanische Transduktion. Im Speziellen gilt (δu/δf)n=x < 0, worin u das chemische Potential ist, f die Kraft ist und n = x eine konstante Zusammensetzung, d. h. in diesem Fall einen konstanten Ionisierungsgrad anzeigt (44). Die Effizienz dieses Mechanismus der chemomechanischen Transduktion scheint um eine Größenordnung über jener des Mechanismus zu liegen, der von einer Ladungs-Ladungs-Abstoßung angetrieben wird, worin gilt: (δu/δf)n > 0, beispielsweise in Polymethacrylsäuregeln (36). Unter der Annahme, dass jede chemisch herbeigeführte Änderung der Konformation, um eine Funktion zu erfüllen, chemomechanische Transduktion umfasst, ist zu erwarten, dass Proteine diesen Mechanismus nutzen, wann immer er zur Verfügung steht, um chemisch herbeigeführte Funktionen zu erfüllen. Bei Polymeren wie Poly(N-isopropylacrylamid) (45) wurden inverse Temperaturübergänge, die als untere kritische Lösungstemperaturen (LCST) bezeichnet wurden, beobachtet, die vom Gehalt an hydrophoben Isopropylgruppen im Polymer abhängen. Es wurde kein ΔTt-Typ festgestellt, möglicherweise, weil die stärker beschränkte Kontrolle der Zusammensetzung in solchen Polymeren das Testen auf ein solches Modell verhinderte.
Obiges kann als chemomechanische Transduktion auf Polymerbasis bezeichnet werden. Es ist auch möglich, die Temperatur des inversen Temperaturübergangs Tt chemisch zu ändern, indem die äußerliche Variable, die Lösungsmittelzusammensetzung, geändert wird, und das kann als mechanochemische Kopplung oder chemomechanische Transduktion auf Lösungsmittel-Basis bezeichnet werden. Tatsächlich kann eine geringe Zunahme der Salz-(NaCl-)Konzentration den Wert von Tt verringern, und diese Änderung kann eingesetzt werden, um die chemomechanische Transduktion anzutreiben (20). Auch senkt Deuteriumoxid Tt; Ethylenglykol senkt Tt (47); und Harnstoff erhöht 7. Alle diese und viele andere gelöste Stoffe, die den Wert von Tt ändern, können eingesetzt werden, um die chemomechanische Transduktion anzutreiben.
Phänomenologisch resultiert chemomechanische Transduktion, wie beispielsweise durch Poly(VPGVG) und seine Analoge dargestellt, aus chemischer Modulation der Temperatur der inversen Temperaturübergänge. Deskriptiver wird sie als chemische Modulation der Expression der Hydrophobie sowohl mit Mitteln auf Polymer-Basis als auch auf Lösungsmittel-Basis zur Änderung der hydrophoben Expression betrachtet. Für mechanochemische Kopplung auf Polymerbasis scheint die Antriebskraft aus strukturell eingeschränkten und ausreichend proximalen hydrophoben und polaren Gruppen zu entstehen, die jeweils um ihre allein erforderlichen Hydratationsstrukturen konkurrieren. Mit anderen Worten, es kommt zu einer freien Hydratationsenergie der Apolar-Polar-Wechselwirkung, die beispielsweise aufgrund einer polaren Spezies, die verbesserte Strukturierung von Hydratationshüllen durch Destrukturierung des klathratartigen (Käfig-) Wassers hydrophober Gruppen erreicht, im Allgemeinen abstoßend ist, oder umgekehrt, wenn die Anhäufung aus hydrophoben Resten bei der Erreichung ihrer Wasserkäfige dominanter wird, durch die Begrenzung der Hydradation, die von der stärker polaren Spezies erforderlich ist. Das lässt zu, dass eine Erhöhung der Hydrophobie eine Erhöhung des Carboxyl-pKa bewirken kann, indem die freie Energie der stärker polaren Spezies aufgrund unzureichender Hydratation erhöht wird (25). Bei mechanochemischer Kopplung auf Lösungsmittel-Basis stören dem Wasser-Lösungsmittel zugegebene gelöste Stoffe das Wasser der hydrophoben Hydratation, indem sie entweder die Aktivität des Wassers verringern oder den klathratartigen Wasserkäfig direkt verändern.
In US-Patent Nr. 5.226.292 haben die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes gezeigt, dass die Aufnahme relativ großer hydrophober Seitenketten in monomere Polypeptideinheiten eine bisher nicht festgestellte Eigenschaft im resultierenden Gesamt-Polymer hervorrufen, nämlich eine Empfindlichkeit des inversen Temperaturübergangs des Polymers gegenüber äußerem Druck. Diese Eigenschaft steht nicht in strengem Zusammenhang mit der Hydrophobie, wie das bei vielen früheren Eigenschaften der Fall war, erforderte aber das Vorhandensein großer hydrophober Seitenketten. Hier ist mit "groß" vorzugsweise ein größeres Volumen als eine Isopropylgruppe gemeint; d. h. größer als 20 cm³/Mol. Noch größere hydrophobe Gruppen werden bevorzugt (z. B. 100, 500, 1.000 oder noch größere Volumina, ausgedrückt in cm³/Mol). Die hydrophoben Gruppen sind so gewählt, dass sie ausreichend groß und in ausreichender Menge vorhanden sind, um für ein PdV/dS von zumindest 0,2 K, vorzugsweise zumindest 1 K, mehr bevorzugt zumindest 5 K, insbesondere zumindest 20 K, zu sorgen (mit P = Druck, V = Volumen und S = Entropie). Das Patent stellt weiters ein Verfahren zum experimentellen Bestimmen der PdV/dS-Werte bereit. Entweder eine Erhöhung des Ausmaßes an Hydrophobie der vorhandenen hydrophoben Gruppen oder eine Erhöhung ihrer Menge (üblicherweise als Molenbruch ausgedrückt) in einem Polymer erhöht den PdV/dS-Wert. Die Kenntnis des genauen PdV/dS-Werts für ein bestimmtes Polymer war jedoch nicht erforderlich, um die Erfindung durchzuführen, und Schätzungen, ob die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein bestimmtes Polymer eine wünschenswerte baromechanische oder barochemische Reaktion zeigt, ließen sich durch Vergleich der Menge und des Typs der in einem bestimmten Polymer vorhandenen hydrophoben Gruppen leicht durchführen. Es gibt keine bestimmten Obergrenzen für die Größe oder Menge an hydrophoben Gruppen in einem Polymer gemäß vorliegender Erfindung oder für die Hydrophobie des jeweiligen Substituenten, solange das resultierende Polymer einen inversen Temperaturübergang erfährt und den angegebenen PdV/dS-Wert aufweist. Diese Eigenschaften und Verfahren gelten, wenn Polypeptide gemäß vorliegender Erfindung konstruiert werden, die zur Transduktion elektrischer Energie fähig sind.
Die vorliegende Anmeldung berichtet über die Wirkung elektrischer Energie auf Tt für Protein- und bioelastische Polymere auf Proteinbasis, insbesondere vom Poly(VPGVG)- Typ und von Analogen oder Copolymeren davon, und beschreibt, wie diese Systeme zu verwenden sind, damit sie an elektrische Energie gekoppelte Transduktion aufweisen, um gewinnbare Arbeit zu erzeugen. Ein Modellkomplexpolymer Poly[0,5(VPGVG, 0,5(VPGXG)] (das hierin als Copolypeptid II bezeichnet wird), worin X ein Glutaminsäurerest ist, der an seiner γ-Carboxylgruppe über eine Amidbindung an Flavin-Adenin- Dinukleotid von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid substituiert ist, wurde synthetisiert und untersucht. Die Modulation des inversen Temperaturübergangs des Polymers durch Bestrahlung wurde verfolgt, indem die Phasentrennung anhand von detektierten Änderungen der Proben-Trübung beobachtet wurde.
Die Erfindung wird zunächst unter Verwendung des Polymersystems beschrieben, das ursprünglich zur Bestimmung der weiteren Aspekte der Erfindung hilfreich war, die hierin weiter unten beschrieben werden. Es ist jedoch festzustellen, dass diese anfängliche Beschreibung die Erfindung nicht einschränkt, da diese Beispiele leicht unter Verwendung der später beschriebenen Techniken modifiziert werden können, um zahlreiche Zusammensetzungen bereitzustellen, die hierin erörterte Eigenschaften aufweisen, und die bei den hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden können.
Beim ersten Protein-Polymersystem, das die hierin beschriebenen elektromechanischen Eigenschaften aufweist, wurden elastische Polymere auf Proteinbasis der Formel Poly- [fx(VPGXG),fv(VPGVG)] verwendet, worin fv und fx Molenbrüche sind, wobei gilt: fx + fv = 1, und X ein Aminosäurerest mit einer auf Änderungen im Einwirken elektrischer Energie ansprechender Seitenkette ist. Wie oben beschrieben weisen diese Bioelastomere inverse Temperaturübergänge in Form einer Phasentrennung auf, bei der bei Erhöhung der Temperatur Faltung und Aggregation wasserlöslicher Polymerketten zu stärker geordneten Zuständen der kondensierten (Koazervat-) Phase erfolgen. Dieser inverse Temperaturübergang ist zwar auf dem Gebiet von Polymeren ungewöhnlich, ist aber für die gemäß vorliegender Erfindung beschriebenen Bioelastomere normal und kann durch das oben beschriebene einfache Lösungs/Erwärmungs-Schema bei anderen Polymeren detektiert werden. Untersuchungen an den Polymeren der soeben genannten Formel, in der X zu 50% Glutaminsäure und zu 50% ein NAD-Derivat von Glutaminsäure ist (siehe Formel II in nachstehendem Beispiel 1), haben gezeigt, dass eine Änderung im Redox-Potential eine beträchtliche Senkung der Temperatur des Übergangs bewirkte, so dass das Polymer oberhalb der Übergangstemperatur liegt, was eine relativ stärker hydrophobe Form ergibt. Das Volumen der Koazervat-Phase (oder einer vernetzten Matrix) erhöht sich beim Einwirken elektrischer Energie, die hydrophobe Hydratation, das Entfalten und die Desaggregation des Polymers herbeiführt.
Die Übergangstemperatur ist üblicherweise so gewählt, dass sie innerhalb von 20ºC zur Temperatur des Mediums, auf das eingewirkt wird, liegt, um zu ermöglichen, dass elektrisch herbeigeführte Effekte im Rahmen einer geeigneten Änderung der elektrischen Energie erfolgen, indem Tt näher bei der Temperatur des Mediums gewählt wird (z. B. weniger als 10ºC, vorzugsweise weniger als 5ºC, mehr bevorzugt weniger als 2 ºC), wird das System empfindlicher für Änderungen in der elektrischen Energie gemacht. Die Erfinder wollen sich zwar nicht auf eine Theorie darüber festlegen, wie diese Ausdehnung erfolgt, es wird jedoch angenommen, dass Wassermoleküle, die die hydrophoben Seitenketten der Isomerisierungsgruppe umgeben, weniger Volumen einnehmen als Wassermoleküle in dem das Polymer umgebenden Wasserkörper. Die Fähigkeit, gewinnbare mechanische Arbeit durch Polymere gemäß vorliegender Erfindung zu erzielen, wird weiters beispielsweise durch die berechnete Volumsänderung für ein Polymer Poly[0,8(GVGVP),0,2(GFGVP)] beim Übergang von der Koazervat-Phase, wo hydrophobe Assoziationen weitgehend das Wasser der hydrophoben Hydratation beseitigt haben, auf Dispersion in Wasser, wo die hydrophoben Gruppen von Wasser umgeben sind, illustriert, die 80 cm³/Mol für mittlere Pentamere oder etwa 400 cm³/Mol für (GFGVP) beträgt. Durch Aufnehmen auf Elektrizität ansprechender Gruppen, die ein ähnliches Ausmaß an Hydrophobie-Änderung beim Einwirken elektrischer Energie aufweisen, können Materialien, die an elektrische Energie gekoppelte mechanische Transduktion aufweisen, ähnlich beschaffen sein, um gewinnbare mechanische Arbeit zu erzeugen.
Es ist anzumerken, dass die Position des "X"-Rests im Polymer wie oben beschrieben nicht entscheidend ist, um ein Ansprechen auf elektrische Energie zu erreichen, und in diesen Beispielen hauptsächlich zwecks einfacher Synthese gewählt wurde. Einige Variationen in den Eigenschaften treten bei Substitutionen anderer Aminosäurereste in der Pentamer-Elastomereinheit auf. Die spezifische Position einer Seitenkette im Polymer ist nicht wichtig, so lange die Gesamteigenschaften des Polymers beibehalten werden. Allerdings werden, wie gemäß vorliegender Erfindung gelehrt, das Ausmaß und die Richtung des Ansprechens der Bioelastomere auf elektrische Energie durch die Stelle, die Position, die Ausrichtung, die Anzahl, die Art und die Größe der auf Elektrizität ansprechenden Gruppe und anderer Aminosäuren in der bioelastischen Einheit beeinflusst.
Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass die Bindung einer NAD-Gruppe auf etwa 40 Aminosäurereste ausreicht, damit der inverse Temperaturübergang von Polypeptiden auf Elektrizität anspricht und dass isotherme reversible Elektromodulation des Übergangs, in diesem Fall bei 40ºC, erzielt werden kann.
Auf Elektrizität ansprechende Gruppen werden so ausgewählt, dass sie für eine ausreichende Änderung der Hydrophobie oder Polarität sorgen und in ausreichender Menge vorhanden sind, um für eine Verschiebung des reversen Temperaturübergangs von zumindest 0,2ºC, vorzugsweise zumindest 1ºC, mehr bevorzugt zumindest 5ºC, insbesondere zumindest 20ºC, zu sorgen. Entweder die Verstärkung der Änderung der Hydrophobie oder der Polarität der vorhandenen reaktiven Gruppen oder eine Erhöhung ihrer Menge (üblicherweise als Molenbruch ausgedrückt) in einem Polymer erhöht die Verschiebung des reversen Temperaturübergangs. Wie erörtert kann die Verschiebung entweder eine Verringerung oder ein Anstieg der Tt sein. Allerdings ist es nicht notwendig, das genaue Ausmaß an Verschiebung für ein bestimmtes Polymer zu kennen, um die Erfindung durchzuführen, und Schätzungen dahingehend, ob ein bestimmtes Polymer wahrscheinlich ein wünschenswertes Ausmaß oder eine wünschenswerte Richtung der Verschiebung der Tt und der Transduktionsreaktion aufweist, werden typischerweise durch Vergleichen des Typs und Ausmaßes an hydrophoben/polaren Gruppen bestimmt, die in einem bestimmten Polymer vorhanden sind. Es gibt keine bestimmte Obergrenze für die Größe oder Menge an reaktiven Gruppen in einem Polymer gemäß vorliegender Erfindung oder für die Hydrophobie oder Polarität des bestimmten auf Elektrizität ansprechenden Substituenten, solange das resultierende Polymer einen inversen Temperaturübergang im bestimmten Ausmaß erfährt. Das Verhältnis zwischen auf Elektrizität ansprechenden Gruppen und Monomer-Resten kann im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 5000 liegen. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis 1 : 10 bis 1 : 100. Im allgemeinen ist die Herstellung einfacher, wenn wasserlösliche Polymere (unterhalb der Übergangstemperatur) verwendet werden. Nicht-wasserlösliche Polymere können unter Einsatz organischer Lösungsmittel hergestellt werden, die in den meisten Fällen vor der Verwendung entfernt und durch Wasser ersetzt werden sollten. Die Obergrenze für die Anzahl und Art an Substituenten wird auch von der Fähigkeit des elastischen Polymers beeinflusst, sich geeignet zu falten/zu assemblieren, um eine β-Spirale im entspannten Zustand zu erreichen. Die Position der Substituenten im Polymer in Bezug auf die Position der Monomerrest-Seitenkette, ist nicht entscheidend, solange nicht verhindert wird, dass sich die β-Faltung im entspannten Zustand bildet. Bevorzugte Positionen für die verschiedenen Peptide gemäß vorliegender Erfindung werden in den Patenten und schwebenden Anmeldungen aus den Labors der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstands in diesem Bereich gelehrt, die durch Verweis hierin aufgenommen worden sind.
Die Überlegenheit von Polymeren auf Proteinbasis gegenüber jenen von Polymethacrylsäure wird gezeigt, indem die Effizienzen beim Verrichten mechanischer Arbeit verglichen werden. Der Ladungs-Ladungs-Abstoßungsmechanismus, der durch Polymethacrylsäure repräsentiert wird, und der von Salz abhängige Zusammenbruch der Kollagenstruktur kann mit den Polymeren auf Proteinbasis verglichen werden. Ein Maß für die Effizienz η kann die gewonnene mechanische Arbeit sein, die die Kraft f mal der Verlagerung ΔL, dividiert durch die chemische Energie ΔuΔn ist, die bei der Durchführung der Arbeit aufgewandt wird, worin Δu die Änderung des chemischen Potentials, wie oben erörtert, ist und Δn die Änderung in Mol in Bezug auf die innere Veränderung ist. Beispielsweise kann Δn die Anzahl an Mol an Carboxylaten (COO&supmin;) sein, die in Carboxyle (COOH) umgewandelt werden. Die Effizienz kann daher als η = fΔL/ΔuΔn ausgedrückt werden.
Polymethacrylsäure [-CCH&sub3;COOH-CH&sub2;-]n benutzt dieselbe chemische Kopplung (COOH/COO) wie das Polymer auf Proteinbasis Poly[0,8(VPGVG),0,2(VPGEG)]. Auch können sich die vernetzten Matrices beider auf etwa die Hälfte ihrer Länge im ausgestreckten Zustand zusammenziehen und können Gewichte heben, die 1000-mal größer als ihr Trockengewicht sind, so dass die Dividenden fΔL eine ähnliche Größe (48-50) aufweisen. Die Differenz tritt in der chemischen Energie zu Tage, die erforderlich ist, um diese Arbeit zu erzielen.
Bei Polymethacrylsäure wird Verlängerung aufgrund von Ladungs-Ladungs-Abstoßung erreicht, wenn 50 bis 60% der Carboxylgruppen in COO&supmin; umgewandelt werden und der Zusammenbruch des verlängerten Zustands, um Zusammenziehen zu erreichen, bis hinunter zu 0 bis 10% Ionisierung erfolgt (48-50). So müssen etwa 40 Carboxylate pro 200 Hauptkettenatomen protoniert werden. Für X²&sup0;-Poly[0,8(VPGVG),0,2(VPGEG)] müssen nur 4 Carboxylate pro 300 Hauptkettenatome protoniert werden. ("X&sub2;&sub0;" gibt an, dass das Polymer mit 20 Mrad γ-Strahlung vernetzt worden ist.) Somit ist das Δn für das Polymethacrylsäuresystem mehr als 10-mal größer. Auch die Änderung im chemischen Potential Δu des Protons, die erforderlich ist, um diese Änderung im Ausmaß oder Prozentsatz der Ionisierung zu erreichen, ist im Fall der Ladungs-Ladungs-Abstoßung (Polymethacrylsäure) größer. Die Änderung, damit das chemische Protonen-Potential von 50-60% Ionisierung auf 0-10% Ionisierung übergeht, beträgt aufgrund der negativen Cooperativität der Titrationskurve etwa 2 pH-Einheiten für Polymethacrylsäure (49, 51). Beim Polymer auf Proteinbasis weist die Titrationskurve positive Cooperativität auf und die Änderung lediglich eines Teils einer pH-Einheit bewirkt die erforderliche Änderung im Ionisierungsgrad. Das Ergebnis ist, dass die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Arbeit für den ΔTt Mechanismus mehr als 10-mal effizienter ist.
Die Berechnung der Vergleichseffizienzen wird wie folgt durchgeführt. Für ηcc, das die Effizienz des Ladungs-Ladungs-Abstoßungsmechanismus ist, wie anhand von Polymethacrylsäure veranschaulicht, sind die Faktoren in der obigen Gleichung für die Effizienz w, worin ΔL 0,5 und f 1000 · Trockengewicht, An größer als 40 (COO→COOH) pro 200 Hauptkettenatome ist und Δu 2,8 kcal mol&supmin;¹ ist (Δα 0,6→ΔpH 2,0). Für ηap, das die Effizienz des Mechanismus der Apolar-Polar-Abstoßung durch freie Energie ist, wie durch X²&sup0;-Poly[0,8(VPGVG),0,2(VPGE)], für wΔL 0,5 und f 1000 x Trockengewicht ist Δn kleiner als 4 (COO&supmin;→COOH) pro 300 Hauptkettenatome, und Δu 0,94 kcal mol&supmin;¹ (Δα 0,8→ΔpH ,0). Das berechnete Effizienzverhältnis (ηcc/ηap) ist größer als 10.
Eine um eine ähnliche Größenordnung stärkere Änderung der Effizienz wird bei den, durch Salz bewirkten Kontraktionen des Polymers X²&sup0;-Poly(VPGVG) im Vergleich zu jener von Kollagen beobachtet. Die vollständige Kontraktion kann leicht erreicht werden, indem von 0 auf 1 n NaCl für X²&sup0;-Poly(VPGVG) übergegangen wird, und auch eine Änderung von 0 auf 0,15 n NaCl kann sehr wirksame Kontraktionen antreiben (12). Im Fall von Kollagen sind spezielle Salze erforderlich, wie z. B. LiBr und NaSC, und Harnstoff kann verwendet werden. Diese gelösten Stoffe senken die Temperatur, bei der Denaturierung erfolgt. Im am besten charakterisierten Fall, der Verwendung von LiBr, war 0 oder 0,3 n die Seite mit niedriger Konzentration und 111,25 n die Seite mit hoher Konzentration. Wiederum war eine über eine Größenordnung stärkere Änderung im chemischen Potential erforderlich, um die Kontraktion im Kollagen-Modell anzutreiben.
Aus der experimentellen Bewertung der Entropien des Übergangs ΔSt(= ΔHt/Tt,), können die berechneten Änderungen des Volumens für den Übergang ΔVt erhalten werden, indem die verschiedenen relativen Wärmen für die Übergänge berücksichtigt werden (43), L = ΔHt.
Die experimentelle Arbeit zeigt, wie auf Elektrizität ansprechende inverse Temperaturübergänge bei den bioelastischen Polypeptiden gemäß vorliegender Erfindung erreicht werden können. Ansprechen auf Elektrizität wird erreicht, indem Seitenketten-Gruppen vorliegen, die auf Elektrizität ansprechen, d. h. es kommt zu einer durch elektrische Energie verursachten Änderung in der Hydrophobie oder Polarität der Seitenketten- Gruppe, die an einem Faltungs/Entfaltungs-Übergang beteiligt ist. Eine Möglichkeit besteht darin, solche Seitenketten-Gruppen in Bereichen angehäuft zu haben, die beim Falten assoziieren oder die beim Entfalten freigelegt werden, wie z. B. bei einer Konformationsänderung, bei der hydrophobe Reste in einem Zustand verdeckt sind und im anderen frei liegen.
Unter Berücksichtigung dieser Versuchsergebnisse können Bioelastomere rationell konstruiert werden, um die hierin beschriebenen gewünschten Eigenschaften des Ansprechens auf elektrische Energie zu erreichen. Die Lehren der früheren Patente des Erfinders des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes im Zusammenhang mit bioelastischen Polymeren geben zusätzliche Informationen als Anleitung für die rationelle Konstruktion von Bioelastomeren gemäß vorliegender Erfindung, wenn sie mit den Lehren der vorliegenden Beschreibung kombiniert werden. Die folgende Erörterung beschreibt allgemeine Selektionstechniken zur Erreichung der Ausführungsformen der Erfindung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Proteine und Bioelastomere auf Proteinbasis.
Unter Einsatz der relativen Hydrophobien der auf elektrische Energie ansprechenden Seitenketten ist es möglich, mit einem systematischen, auf Kenntnissen beruhenden Ansatz, Polymere zu konstruieren, die inverse Temperaturübergänge aufweisen. Dieser Ansatz kann für natürliche Verbindungen eingesetzt werden, wo stereochemische Regelmäßigkeit herrscht, sowie für vollständig synthetische Moleküle, wie in den nachstehenden Beispielen. Ausführungsformen der Erfindung können erhalten werden, indem Polymere mit auf Elektrizität ansprechenden bioelastischen Einheiten gemäß vorliegender Erfindung zwischen Segmenten anderer Biomakromoleküle, wie z. B. Proteinen oder Peptiden, Nukleinsäure, DNA, RNA, Lipiden, Kohlenhydraten oder stereochemisch regelmäßigen Polymeren, z. B. Poly-β-hydroxyalkanaten, eingestreut werden. Biomakromoleküle werden so gewählt, dass sie zusätzliche Merkmale verleihen, wie z. B. Chemotaxis, Zell-Targeting oder Adhäsion, Hydrolase-Empfindlichkeit, Elastizitätsmodul oder Arzneimittel-Bindung, verleihen. Ausführungsformen der Erfindung können mit Polymeren erzielt werden, die abbaubar sind, ebenso wie mit Polymeren, die nicht so gut abbaubar sind, und auch mit Polymeren, die höhere Thermostabilität aufweisen. Die bevorzugten Polymere gemäß vorliegender Erfindung sind Proteine und Bioleastomere auf Proteinbasis. Polymere gemäß vorliegender Erfindung enthalten bioelastische Pentapeptide, Tetrapeptide und Nonapeptide.
Die Regelmäßigkeit der Struktur der Protein- oder auf Elektrizität ansprechenden Polymere auf Proteinbasis gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht die optimale Anordnung der strukturellen Komponenten, für die gekoppelte Wirkungen angestrebt werden. Beispielsweise kann die auf Elektrizität ansprechende Seitenkette für optimale Wirkung vohersehbar räumlich in Bezug auf das zweite Seitenketten-Paar angeordnet werden.
Bevorzugte auf Elektrizität ansprechende Polymere sind jene, die vor dem Einschluss der auf Elektrizität ansprechenden Gruppe in der Natur nicht in ihrer Grundform vorkommen. Derartige Polymere können Produkte auf synthetischer oder rekombinanter Basis sein. Natürlich vorkommende Polymere mit einem inversen Temperaturübergang können als Ausgangsmaterial für die Derivatisierung eingesetzt werden, so dass sie auf Elektrizität ansprechende Seitenketten enthalten. Auf Elektrizität ansprechende bioelastische Einheiten gemäß vorliegender Erfindung können an andere Typen von Molekülen gebunden und dazwischen eingestreut werden, wobei die Verbindungen dem Polymer Funktionen wie biologische Aktivität, Chemotaxis, Protease- oder Nuklease-Empfindlichkeit verleihen können. Derartige Moleküle sind Peptide, Proteine, Nukleinsäure, DNA, RNA, Kohlenhydrate und Lipidketten.
Das Phänomen der inversen Temperaturübergänge in wässrigen Systemen tritt in einer Anzahl amphiphiler Systeme, üblicherweise Polymere, auf, die ein geeignete Ausgeglichenheit und eine geeignete Anordnung apolarer und polarer Gruppen aufweisen. Die polaren Spezies tragen zur Löslichkeit in Wasser bei niedriger Temperatur bei, einer Löslichkeit, die in Wasser der hydrophoben Hydratation für die apolaren Gruppen resultiert. Das Wasser der hydrophoben Hydratation, das oft als Klathrat- oder klathratartiges Wasser bezeichnet wird, hat spezifische thermodynamische Eigenschaften: eine exotherme Hydratationswärme (ein negatives AH) und eine negative Hydratationsenergie (6, 7). Bei Erhöhung der Temperatur durch einen endothermen Übergang (8) werden die Niederentropie-Wässer der hydrophoben Hydratation ein Wasserkörper mit einer signifikanten Zunahme der Lösungsmittel-Entropie, wenn sich die Polymere falten und aggregieren, wodurch die intra- und intermolekularen Kontakte zwischen hydrophoben (apolaren) Gruppen optimieren, wobei es zu einer etwa geringeren Abnahme der Polymer- Entropie als Zunahme der Lösungsmittel-Entropie kommt. Derartige Polymere können, wenn ihre Übergänge zwischen 0 und 100ºC stattfinden, eingesetzt werden, um Vorgänge in wässrigen Umgebungen zu steuern, die in der Biologie erfolgen. Übergänge, die bei anderen Temperaturen erfolgen, können jedoch in der Praxis der vorliegenden Erfindung ebenfalls eingesetzt werden, da die Zugabe von Salz oder organischem Lösungsmittel zu wässrigen Systemen oder die Ausübung von Druck auf wässrige Systeme bewirkt, dass Wasser bei einer Temperatur außerhalb des normalen Bereichs flüssigen Wassers flüssig bleibt. Da Systeme gemäß vorliegender Erfindung unter 100 Atmosphären Druck oder mehr arbeiten können, kann der Temperaturbereich beträchtlich ausgedehnt werden. Ein bevorzugter Temperaturbereich ist der von flüssigem Wasser, worin ausreichend Wasserkörper vorhanden ist, um Änderungen der Hydratation chemischer Gruppen am Polymer zuzulassen. Eine Obergrenze für die Temperatur ist die Grenze, oberhalb der irreversible Polymer-Denaturierung oder Racemisierung erfolgt, die zu einem Verlust der strukturellen Regelmäßigkeit des Polymers führt, was wiederum zu einem Verlust der Kontrolle der Polymeraktivität und Transduktionseffizienz führt. Eine Untergrenze für die Temperatur ist die Grenze, unter der unerwünschte Wirkungen, wie z. B. Lösungsverfestigung und Unterbrechungen der Polymerstruktur und -regelmäßigkeit, erfolgen. Ein bevorzugter Temperaturbereich ist 0ºC bis 100ºC.
Das Polypentapeptid Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gly&sup5;), das auch als Poly(VPGVG) bezeichnet wird, ist ein besonders gut ausbalanciertes Polymer zur Modifikation mit auf Elektrizität ansprechenden Gruppen, um für biologische Verwendungszwecke zu sorgen, da sein Übergang nahe 37ºC eben erst abgeschlossen ist. Unterhalb von 25ºC ist es in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar, worin es eine β-Faltung aufweist (siehe obige Strukturformel), wobei Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Val¹-CO- und der Val&sup4;-NH-Gruppe erfolgen (9). Bei Erhöhung der Temperatur faltet sich das Polypentapeptid in eine lose Helix, in der die dominanten hydrophoben Kontakte zwischen den Falten die Val¹-γ-CH&sub3;-Gruppen in einer Falte und die Pro²-βCH&sub2;-Gruppe in der benachbarten Falte umfassen (10). Die lose Helixstruktur wird als dynamische β-Spirale bezeichnet und als Basis für die entropische Elastomerkraft vorgeschlagen, die dieses Material aufweist, sobald es vernetzt wird (1). Gleichzeitig mit der Faltung erfolgt eine Assemblierung von β-Spiralen, um ein verdrehtes Filament zu bilden, das intermolekulare Kontakte optimiert.
Wenn Poly(VPGVG) vernetzt wird, beispielsweise durch 20 Mrad γ-Bestrahlung, wird eine Elastomer-Matrix gebildet, die unterhalb von 25ºC quillt, sich aber bei Erhöhung der Temperatur durch den Übergang zusammenzieht, wobei ausreichend Wasser ausgepresst wird, um das Volumen auf ein Zehntel zu verringern und die Länge eines Matrixstreifens auf 45% seiner gequollenen Länge zu verringern (2). Diese thermisch angetriebene Kontraktion kann eingesetzt werden, um Gewichte zu heben, die das 1.000fache des Trockengewichts der Matrix ausmachen. Das wird als thermomechanische Transduktion bezeichnet. Wie nachstehend erörtert kann jedes chemische Mittel zum reversiblen oder irreversiblen Verschieben der Temperatur des Übergangs isotherm eingesetzt werden, um chemomechanische Transduktion zu erreichen.
Die Temperatur des inversen Temperaturübergangs der in den folgenden Beispielen beschriebenen substituierten Polypentapeptide wurde eingesetzt, um eine Skala der relativen Hydrophobie zu entwickeln, wie in Fig. 1 gezeigt, die die apolare Seite für natürliche und modifizierte Aminosäurereste umfasst. Das Einführen einer polaren Seite mit protonierten/deprotonierten chemischen Paaren führt zu chemomechanischer Transduktion auf Polymer-Basis. Die Werte für das Ausmaß der Verschiebung von Tt sind in Tabelle 1 für Modell-Seitenkettengruppen angeführt. Das Ausmaß an Verschiebung von Tt bei einer gekoppelten, durch elektrische Energie herbeigeführten Reaktion einer auf Elektrizität ansprechenden Seitenkettengruppe, wie z. B. Protonierung/Deprotonierung, Ionisierung/Entionisierung, kann empirisch ermittelt werden, wie hierin gelehrt, oder unter Verwendung von Fig. 1 und Tabelle 1 als Richtlinie auf Basis der bekannten Hydrophobie oder Polarität beider Zustände der auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette. Die gekoppelte Reaktion kann irreversibel sein, wie bei Additions- oder Dimerisierungsreaktionen.
Eine Beschreibung des Verfahrens zum Konstruieren von Bioelastomeren, um spezifisch um für einen inversen Temperaturübergang bei jeder Temperatur von 0ºC bis 100ºC zu sorgen, wird nachstehend im Detail beschrieben. Die spezifischen Beispiele, die nachstehend eingesetzt werden, um diese Verfahren zu veranschaulichen, sind überwiegend Beispiele für elastomere Polypentapeptid-Matrices. Es versteht sich jedoch, dass dieselben Überlegungen auf elastomere Tetrapeptid- und Nonapeptid-Matrices sowie auf Matrices angewandt werden können, die unter Einsatz dieser Elastomereinheiten in Kombination mit anderen Polypeptideinheiten hergestellt wurden, wie zuvor für bioelastische Materialien beschrieben.
Die Temperatur der inversen Temperaturübergänge kann geändert werden, indem die Hydrophobie des Polymers geändert wird. Wird beispielsweise das Polypeptid stärker hydrophob gemacht, wie z. B. bei Poly(Ile¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gly&sup5;), worin das Ersetzen von Val¹ durch Ile¹ die Hinzufügung einer CH&sub2;-Gruppe pro Pentamer darstellt, nimmt die Temperatur des Übergangs um 20ºC von 30 ^ºC für Poly(VPGVG) auf 10ºC für Poly(IPGVG) ab (1). Wird auf ähnliche Weise die Hydrophobie etwa durch Ersetzen von Val&sup4; durch Ala&sup4; verringert, d. h. durch Entfernen der zwei CH&sub2;-Gruppen pro Pentamer, erhöht sich die Temperatur des Übergangs um etwa 40ºC auf 70ºC.
Ein wesentlicher Vorteil der bioelastischen Polypeptide gemäß vorliegender Erfindung ist das Ausmaß, indem Feinabstimmung des Grades an Hydrophobie/Polarität und eine resultierende Verschiebung im inversen Temperaturübergang erreicht werden kann. Beispielsweise ist die auf Elektrizität ansprechende Gruppe in Beispiel 1 über die γ-Carboxylgruppe von Glutaminsäure an die Peptid-Hauptkette gebunden; allerdings kann eine Verringerung der Gesamt-Hydrophobie erreicht werden, indem die auf Elektrizität ansprechende Gruppe über die γ-Carboxylgruppe von Asparaginsäure gebunden wird, die ein kürzeres Homolog von Glutaminsäure ist. Dieses Ersetzen ist analog zum Ersetzen von Val durch Ala, wie oben für Proteinpolymere erörtert, und zeigt weiters, dass in Hinblick auf die vorliegende Erfindung Konstruktionskonzepte, die zuvor für die Auswahl von Tt für andere bioelastische Polymere identifiziert wurden, auch auf die Konstruktion von auf elektrische Energie reagierenden bioelastischen Polymeren gemäß vorliegender Erfindung Anwendung finden.
Viele bekannte Verbindungen reagieren bei Änderungen im Einwirken elektrischer Energie mit bekannten Reaktionsprodukten, aus denen bei der Konstruktion bioelastischer Polymere gemäß vorliegender Erfindung ausgewählt werden kann. Gekoppelt mit der einfachen Synthese von Peptideinheiten, beispielsweise durch Festphasen-Peptidsyntheseverfahren, stellt die vorliegende Beschreibung nun Fachleuten die Werkzeuge und Anleitung zur Verfügung, um rationell eine diverse Abfolge auf Elektrizität ansprechender bioelastischer Polymere gemäß vorliegender Erfindung zu konstruieren.
Die Regelmäßigkeit der Struktur der Protein- und auf Elektrizität ansprechenden Polymere auf Proteinbasis gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht die optimale Anordnung der Strukturkomponenten, für die gekoppelte Wirkungen gewünscht werden. Beispielsweise kann die auf Elektrizität ansprechende Seitenkette zwecks optimaler Wirkung vorhersehbar räumlich in Bezug auf das zweite Seitenketten-Paar angeordnet werden.
Optimale räumliche Nähe kann erreicht werden, indem Reste in Nachbarschaft zueinander in der Hauptkette (d. h. auf der Primärsequenz basierend) angeordnet werden, und auch durch Anordnung, um für Nähe zwischen den Falten zu sorgen. Wie hierin gelehrt kann die Wirkung der Positionierung sowohl theoretisch auf Basis bekannter Strukturen von Modell-Polymeren als auch empirisch bestimmt werden, wie hierin und in den hierin enthaltenen Verweisen beispielhaft veranschaulicht.
Bezogen auf eine verallgemeinerte Hydrophobie-Skala ist die COOH-Gruppe stärker hydrophob als die COO&supmin;-Gruppe. Die Übergangstemperatur kann einfach gesenkt werden, indem der pH verringert wird, und erhöht werden, indem der pH des Mediums erhöht wird, mit dem ein Bioelastomer in Kontakt steht, wenn eine Carboxylatgruppe (oder eine andere Gruppe, die bei Erhöhung des pH zur Bildung eines Ions fähig ist) vorhanden ist. Wenn eine Mitteltemperatur beibehalten wird, zieht sich eine mit 20 Mrad vernetzte Matrix aus Poly[4(VPGVG),1(VPGEG)], d. h. ein statistisches Copolymer, in dem die zwei Pentamer-Monomere im Verhältnis 4 : 1 vorhanden sind, worin E = Glu ist, beim Senken des pH zusammen und entspannt sich oder quillt bei Erhöhung des pH (12). Die Temperatur des Übergangs in phosphatgepufferter Salzlösung verschiebt sich um etwa 50ºC von etwa 20ºC bei niedrigem pH, was COOH ergibt, auf annähernd 70 ºC bei neutralem pH, wo alle Carboxyle in Carboxylatanionen umgewandelt worden sind. Durch Wahl einer Seitenketten-Gruppe, deren Protonierung/Deprotonierung moduliert werden kann, ist es wiederum möglich, die Reaktion des Polymers auf Änderungen im pH zu modulieren. Außerdem kann das Ausmaß des Zusammenziehens oder Ausdehnens als Reaktion auf elektrische Energie durch das Polymer, das bioelastische Einheiten enthält, die eine auf Elektrizität ansprechende protonierbare/deprotonierbare Gruppe enthalten, durch den jeweiligen pH des Mediums moduliert werden.
Bei ähnlich vernetztem Poly[4(IPGVG),1(IPGEG)] verschiebt sich die Temperatur des inversen Temperaturübergangs von nahe 10ºC für COOH auf über 50ºC für COO&supmin; (5). Bei diesem stärker hydrophoben Polypentapeptid, das 4 Glu-Reste pro insgesamt WO Aminosäurereste enthält, sind zweimal so viele Carboxylatanionen notwendig, um den Übergang auf 40ºC zu verschieben als für das weniger hydrophobe Polypentapeptid auf Basis des VPGVG-Monomers. Daher ist es möglich, die Bedingungen des Übergangs durch Variieren der Hydrophobie des Bereichs zu ändern, der die Gruppe umgibt, die die chemische Änderung erfährt. Da Zusammenziehen und Entspannen des Polymer- Körpers von der Summe aller lokalen thermodynamischen Zustände abhängt, ist ausreichende Steuerung möglich, indem einfach die durchschnittliche Umgebung aus beispielsweise ionisierbaren Gruppen gesteuert wird, etwa durch Änderung des Prozentsatzes an Monomeren, die in einem statistischen (oder organisierten) Copolymer vorhanden sind.
Wenn der pH bei der isothermen Bedingungen von 37ºC gesenkt wird (d. h. bei Erhöhung des chemischen Potentials m der vorhandenen Protonen), können diese Matrices Kräfte f ausüben, die ausreichen, um Gewichte zu heben, die 1000-mal höher als ihr eigenes Trockengewicht sind. Das ist chemomechanische Transduktion, die auch als mechanochemische Kopplung bezeichnet wird. Der Mechanismus, nach dem das erfolgt, wird als durch Hydratation vermittelte freie Energie der Apolar-Polar-Abstoßung bezeichnet und ist durch die Gleichung (δu/δf)n < 0 gekennzeichnet; das heißt, die Änderung des chemischen Potentials in Bezug auf Kraft bei konstanter Matrix-Zusammensetzung ist ein negativer Wert (13). Derartige Matrices nehmen beim Strecken Protonen auf, d. h. Strecken setzt mehr hydrophobe Gruppen Wasser aus, was die COO&supmin;-Gruppen energetisch weniger bevorzugt. Das unterscheidet sich deutlich vom Ladungs-Ladungs- Abstoßungsmechanismus für mechanochemische Kopplung des Typs, worin (δu/δf)n > 0 ist und worin Strecken solcher Matrices die Freisetzung von Protonen bewirkt. Der durch Hydratation vermittelte Apolar-Polar-Abstoßungsmechanismus scheint eine Größenordnung effizienter zu sein, was das Umwandeln chemischer Arbeit in mechanische Arbeit betrifft.
Es sei hier betont, dass jegliche chemische Mittel zum Ändern der mittleren Hydrophobie des Polymers, wie z. B. titrierbare Säure-Basen-Funktion, Dephosphorylierung/Phosphorylierung, Reduktion/Oxidation eines Redox-Paares usw., eingesetzt werden können, um Zusammenziehen/Entspannen zu bewirken. Zumindest einer der gekoppelten Reaktionszustände der auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette wird bei einer Änderung des Einwirkens elektrischer Energie erreicht. Feineinstellung der Übergänge kann erreicht werden, indem die Hydrophobie oder herbeigeführten chemischen Änderungen an den Seitenketten bestimmter Aminosäuren eingesetzt werden, vorzugsweise eine der 20 genetisch kodierten Aminosäuren oder Derivate davon. Beispiele für durch elektrische Energie herbeigeführte Reaktionen von Seitenkettengruppen sind Ionisierung, Entionisierung, Oxidation, Reduktion, Amidierung, Deamidierung, Isomerisierung, Dimerisierung, Hydrolyse und Addition.
Feineinstellung des Ausmaßes an Zusammenziehen/Ausdehnung sowie Transduktion zu nicht mechanischer freier Energie kann durch die Hinzufügung anderer reaktiver Gruppen zu den bioelastischen Polymeren gemäß vorliegender Erfindung erzielt werden. Derartige Polymere sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Weiters sind Aminosäure-Monomereinheiten leicht zu modifizieren, um den Satz verfügbarer Reaktionen für die Feineinstellung weiter auszuweiten. Beispielsweise kann ein Sulfatester von Ser hinzugefügt werden, in dem Sulfat-Ionisierungen bei einem pH außerhalb des Bereichs erfolgt, den Carboxylatgruppen durchlaufen. Eine Änderung im Isomerisierungszustand von Azobenzol, das an eine Aminosäure gebunden ist, durch Reaktion einer funktionellen Gruppe in der modifizierenden Gruppe und einer funktionellen Gruppe in einer Aminosäure-Seitenkette ist ebenfalls wirksam.
Wie erörtert können durch elektrische Energie herbeigeführte Reaktionen die Hydrophobie oder Polarität einer auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette ändern, die an eine Aminosäure-Seitenkette gebunden ist. Da die Elektroprodukte ziemlich stark variiert werden können, stehen beim rationellen Konstruieren von Polymeren gemäß vorliegender Erfindung Reaktionen zur Verfügung, so dass entweder eine Senkung des Wert von Tt oder ein Erhöhung des Werts von Tt erzielt werden kann. Beispielsweise verringert die Reduktion von Nicotinamid den Wert von Tt dramatisch, was zu elektrisch angetriebener Faltung führt, während Oxidation von Nicotinamid den Wert von Tt erhöht.
Wie hierin gelehrt werden Polypeptide oder Proteine mit dem korrekten Gleichgewicht zwischen apolaren (hydrophoben) und polaren Gruppen bei Erhöhung der Temperatur aufgrund hydrophober Faltung und Assemblierung stärker geordnet. Bei einigen der Polypeptide ist der inverse Temperaturübergang ein reversibler Phasenübergang unter Bildung einer dichteren, Polypeptid-reichen, viskoelastischen Phase bei Erhöhung der Temperatur. Wenn die viskoelastische Phase vernetzt wird, werden elastische Matrices gebildet, die sich bei Erhöhung der Temperatur durch den Temperaturbereich des inversen Temperaturübergangs zusammenziehen und dabei Gewichte heben, die 1000-mal größer sein können als das Trockengewicht der Matrix. Diese Matrices können bei Erhöhung der Temperatur gewinnbare mechanische Arbeit verrichten. Derartige elastische Matrices werden als Molekularmaschinen vom inversen Temperaturübergang-(Tt-) Typ nullter Ordnung bezeichnet.
Es ist ohne Temperaturänderung möglich, den inversen Temperaturübergang der hydrophoben Faltung und Assemblierung mittels jeder beliebiger Energiequelle anzutreiben, die den Wert von Tt senken kann, d. h. den Temperaturbereich zu senken, über den der inverse Temperaturübergang erfolgt. Bei vier verschiedenen Energiequellen ist festgestellt worden, dass sie den Wert von Tt ändern. Als freie Energietransduktionen ausgedrückt sind das chemomechanische, baromechanische, elektromechanische und photomechanische Transduktion. Bei einem Polymer, das eine gebundene Seitenkettengruppe aufweist, die entweder chemisch oder durch ein elektrisches Potential reduziert oder oxidiert werden kann, kann eine chemische Veränderung den Wert von Tt deutlich verändern. Auf ähnliche Weise kann das Vorhandensein eines Chromophors, das bei Absorption von Licht eine langfristige Veränderung der Polarität des Chromophors ergibt, den Wert von Tt verändern. Dieses allgemeine Verfahren wird als ΔTt-Mechanismus der freien Energie-Transduktion bezeichnet. Jeder der Energie-Inputs kann reversibel je nach Fall die hydrophobe Faltung oder Entfaltung antreiben, wobei nützliche mechanische Bewegung durchgeführt wird. An sich sind die konstruierten Proteine Molekularmaschinen, und sie können auch als Molekularmaschinen von Tt-Typ erster Ordnung bezeichnet werden. Fig. 3 zeigt Transduktionen vom Energie-Typ erster Ordnung als jene, die alle paarweisen Energieumwandlungen mit sich bringen, an denen der mechanische Scheitelpunkt beteiligt ist.
Die Änderung der Zusammensetzung des Polymers auf Proteinbasis ändert systematisch die Übergangstemperatur. Weiters ändert die mit der chemischen Änderung einhergehende Änderung des Ionisierungsgrads einer funktionellen Seitenkette im Polypeptid auch die Temperatur, bei der der inverse Temperaturübergang erfolgt, was einer Änderung der Zusammensetzung ohne Synthese eines neuen Polymers entspricht. Die vernetzte viskoelastische Phase eines solchen Polypeptids zeigt isotherm ein pH-angetriebenes Zusammenziehen, das gewinnbare mechanische Arbeit verrichten kann. Im Allgemeinen wird eine solche elastische Matrix, in der chemische Energie oder eine andere Energiequelle die Temperatur ändern kann, bei der der inverse Temperaturübergang erfolgt, und die dadurch dazu gebracht werden kann, sich zusammenzuziehen und gewinnbare mechanische Arbeit zu verrichten, als Molekularmaschine vom Tt-Typ erster Ordnung bezeichnet. Die verrichtete Arbeit ist das direkte Ergebnis der hydrophoben Faltung und Assemblierung. Die Energieumwandlungen vom Tt-Typ erster Ordnung sind die an mechanische Arbeit gekoppelten.
Jeder Energie-Input, der die Temperatur Tt ändert, bei der der inverse Temperaturübergang erfolgt, kann eingesetzt werden, um Bewegung zu erzeugen und mechanische Arbeit zu leisten. Chemisch angetriebene hydrophobe Faltung kann zu Bewegung und zur Verrichtung mechanischer Arbeit, d. h. chemomechanischer Transduktion, führen. Elektrochemisch angetriebene, durch Druckaufhebung angetriebene und durch Licht angetriebene hydrophobe Faltung ergeben elektromechanische, baromechanische bzw. photomechanische Transduktion. Bioelastische Polymere, die fähig sind, diese Energien zu transduzieren, sind Beispiele für Molekularmaschinen vom Tt-Typ erster Ordnung. Elektromechanische Transduktion wird unter Einsatz von Polymeren gemäß Vorliegender Erfindung erzielt, die eine auf Elektrizität ansprechende Gruppe aufweisen, wie z. B. ein gebundenes Nicotinamid.
Verschiedene Energie-Inputs, von denen jeder einzeln hydrophobe Faltung antreiben kann, um Bewegung und die Verrichtung mechanischer Arbeit zu ergeben, können durch den inversen Temperaturübergang mit der korrekt konstruierten Kopplung und dem korrekten Tt-Wert ineinander umgewandelt (transduziert) werden, wie hierin gelehrt. Elektrisch (durch Reduktion) angetriebene hydrophobe Faltung kann zur Verrichtung chemischer Arbeit führen, z. B. der Aufnahme (oder Freisetzung) von Protonen, d. h. elektrochemischer Transduktion. Gesteuerte hydrophobe Faltung führt zu zusätzlichen Transduktionen: elektrotherm, baroelektrisch, photovoltaisch, thermochemisch, phototherm, barotherm, barochemisch, photobar und photochemisch. Bioelastische Polymere gemäß vorliegender Erfindung, die zu elektrothermen, baroelektrischen und elektrochemischen Transduktionen fähig sind, sind Beispiele für Molekularmaschinen vom Tt-Typ zweiter Ordnung.
Zusätzlich zu mechanisch gekoppelter Transduktion sind nun gemäß den Lehren der vorliegenden Beschreibung bioelastische Polymere möglich, die zu Energieumwandlungen vom Tt-Typ zweiter Ordnung fähig sind, wie z. B. elektrochemischen, elektrothermen und baroelektrischen. Energieumwandlungen vom Tt-Typ zweiter Ordnung sind jene, die nicht direkt an mechanische Energie gekoppelt sind, beispielsweise elektrochemische Transduktion, wie gemäß vorliegender Erfindung gelehrt, oder barochemische Transduktion, wie in US-Patent Nr. 5.226.292 gelehrt. Obwohl bei diesen Transduktionen die hydrophobe Faltungs- und Assemblierungskapazität der elastischen Matrix genutzt wird, ist mechanische Arbeit keine des Paars von Energien, die ineinander umgewandelt werden. Als weiteres Beispiel für eine Energieumwandlung vom Tt Typ zweiter Ordnung sein eine gequollene Matrix aus ungefalteten Polypeptiden genannt, die sowohl eine oxidierte Komponente eines Redox-Paares, z. B. N-Methylnicotinamid, als auch die geladene Gruppe eines chemischen Paares, z. B. (COO) enthält, wobei die Zusammensetzung des Polymers auf Proteinbasis eine solche ist, dass Tt unmittelbar oberhalb der Betriebstemperatur liegt. Unter diesen Umständen würde entweder das Senken des pH, um das COO&supmin; in COOH überzuführen, oder die Reduktion des Nicotinamids, der oxidierten prosthetischen Gruppe (Redox-Paar) zu hydrophober Faltung und Assemblierung führen. Wenn die oxidierte prosthetische Gruppe reduziert wird, ist zu erwarten, dass die resultierende Faltung den pKa der Carboxylgruppe verschiebt, und unter den entsprechenden Bedingungen ist das chemische Ergebnis eine Aufnahme von Protonen (eine Verringerung des chemischen Protonen-Potentials). Wenn andererseits der pH gesenkt wird und das Carboxylatanion protoniert wird, ist zu erwarten, dass sich das elektrochemische Potential der oxidierten prosthetischen Gruppe zugunsten einer Reduktion verschieben würde, und das elektrische Ergebnis könnte die Aufnahme von Elektronen sein. Beide dieser Szenarien werden als elektrochemische Transduktion bezeichnet. Bei beiden wird hydrophobe Faltung genutzt, aber die erzeugte Energie oder die verrichtete Arbeit sind nicht mechanischer Natur. Die elastische Matrix, die so konstruiert ist, dass elektrochemische Transduktion erzielt wird, ist in der erfindungsgemäßen Bezeichnung eine Molekularmaschine vom Tt-Typ zweiter Ordnung. Das ist nur ein Beispiel für elektrochemische Transduktion. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung können nun rationell bioelastische Polymere konstruieren, die an elektrische Energie gekoppelte Transduktionen vom Tt-Typ zweiter Ordnung erfahren.
Je nach gewünschter/gewünschtem Arbeit, Transduktionstyp oder Polymeraktivität umfasst der Paar-Typ für ein zweites Seitenketten-Paar Ionisierung/Entionisierung, Oxidation/Reduktion, Protonierung/Deprotonierung, Spaltung/Ligation, Phosphorylierung/Dephosphorylierung, Amidierung/Deamid ierung usw., eine Änderung der Konformation oder Konfiguration, z. B. cis-trans-Isomerisierung, eine elektrochemische Änderung, z. B. pKa-Verschiebung, Emission/Absorptionsvermögen, oder andere physikalische Änderung, z. B. Wärmeenergieabstrahlung/-absorptionsvermögen. Eine bevorzugte Änderung, die in einer wässrigen Umgebung erfolgt, ist eine chemische Änderung. Eine bevorzugte chemische Änderung ist eine pKa-Verschiebung. Wie in Fig. 3 dargestellt sind freie Energieumwandlungen vom Typ zweiter Ordnung jene zehn paarweisen Energieumwandlungen, an denen der mechanische Kraft-Scheitelpunkt nicht beteiligt ist. Bei diesen Energieumwandlungen werden die inversen Temperaturübergänge genutzt, d. h. die hydrophoben Faltungs- und Assemblierungsübergänge, aber sie erfordern nicht die Erzeugung gewinnbarer mechanischer Bewegung. Diese Energieumwandlungen (mit Ausnahme thermomechanischer Transduktion) umfassen unter anderem jene Energie-Inputs, die hydrophobe Faltung oder Entfaltung antreiben, was zu einer Aufnahme oder Abgabe von Wärme führt, wie wenn der Pfeif am thermischen Scheitelpunkt von Fig. 3 endet. Sie können Änderungen in den Zuständen gekoppelter funktioneller Gruppen umfassen, wie wenn der Pfeil an den chemischen, elektrischen, Druck- oder elektromagnetischen Strahlungs-Scheitelpunkten endet. Auf Elektrizität ansprechende Polymere gemäß vorliegender Erfindung, die Energie transduzieren, indem sie den inversen Temperaturübergang nutzen, aber nicht direkt Bewegung aus der Faltung erzeugen, werden als Molekularmaschinen zweiter Ordnung vom Tt Typ bezeichnet, worin wiederum Tt die Nutzung des inversen Temperaturübergangs als Mechanismus für die Transduktion angeben soll.
Ein Beispiel für eine elektrochemische Transduktion tritt auf, wenn beispielsweise eine Oxidations- oder Reduktionsreaktion einer auf Elektrizität ansprechenden Seitenketten- Gruppe, die an ein bioelastisches Polymer gebunden ist, eine Änderung in der chemischen Energie hervorruft, die als Freisetzung oder Aufnahme eines Protons von einer zweiten funktionellen Seitenketten-Gruppe zu sehen ist, z.B. einer Ammonium- oder Carboxylatgruppe. Wenn die Reaktion eine Reduktion ist, die Tt senkt und hydrophobe Faltung antreibt, wird der kPa einer auf geeignete Weise gekoppelten Carboxylatgruppe so erhöht, dass sie ein Proton aufnehmen kann, damit es Teil der hydrophob gefalteten Struktur wird.
Als Beispiel kann die Zusammensetzung des bioelastischen Polymers gemäß vorliegender Erfindung, die zu elektrochemischer Transduktion fähig ist, die Formel Poly- [fx(VPGXG),fv(VPGVG),fz(VPGZG)] aufweisen oder ein Segment dieser Formel enthalten, worin fx, fv und fz Molenbrüche sind, wobei gilt: fx + fv + fz = 1, X den auf elektrische Energie reagierenden Aminosäurerest darstellt, und Z einen Aminosäurerest darstellt, der eine Seitenkette aufweist, die fähig ist, reversible chemische Veränderung in einer wässrigen Umgebung zu erfahren.
Es ist auch möglich, eine Feinregulierung über den Übergang von einem entspannten in einen zusammengezogenen Zustand (oder umgekehrt) vorzunehmen, indem die durchschnittliche Umgebung reguliert wird, in der sich die verschiedenen funktionellen Gruppen befinden, die Übergang erfahren. Beispielsweise kann die Hydrophobie des Gesamt-Polymers (und daher die durchschnittliche Hydrophobie funkioneller Gruppen, die im Polymer vorhanden sind) durch Änderung des Verhältnisses zwischen unterschiedlichen Monomereinheit-Typen modifiziert werden, wie zuvor beispielhaft dargestellt. Dabei kann es sich um Monomereinheiten handeln, die die funktionelle Gruppe enthalten, die den Übergang erfährt, oder um andere Monomereinheiten, die im Polymer vorhanden sind. Wenn beispielsweise die grundlegende Monomereinheit VPGVG ist und die Übergang erfahrende Einheit VPGXG ist, worin X ein Aminosäurerest ist, der so modifiziert ist, dass er eine auf Elektrizität ansprechende Seitenkette aufweist, kann entweder das Verhältnis zwischen VPGVG-Einheiten und VPGXG-Einheiten variiert werden, oder eine andere Struktureinheit, wie z. B. IPGVG, kann in unterschiedlichen Mengen eingebaut werden, bis die entsprechende Übergangstemperatur erreicht ist.
Im Allgemeinen kann die Auswahl der Sequenz von Aminosäuren in einer bestimmten Monomer-Einheit und die Auswahl des erforderlichen Verhältnisses an Monomer-Einheiten nach einem empirischen Verfahren erfolgen, das mit dem Bestimmen (oder Nachschlagen) der Eigenschaften bekannter Bioelastomere beginnt, gefolgt von der Herstellung ähnlicher, aber anderer Bioelastomere unter Einsatz der Anleitung, die die vorliegende Beschreibung liefert, und dem Messen der Übergangstemperatur, wie hierin und in den zitierten Patenten und Patentanmeldungen beschrieben. Vorzugsweise jedoch werden Tabellen der relativen Hydrophobie von Aminosäureresten (entweder natürlich vorkommend oder modifiziert) eingesetzt, um die Übergangstemperatur ohne Versuche zu berechnen. Siehe beispielsweise Y. Nozaki und C. Tanford, J. Biol. Chem. 246, 2211-2217 (1971), oder H. B. Bull und K. Breese, Archives Biochem. Biophys. 161, 665- 670 (1974), für besonders nützliche Sammlungen von Hydrophobie-Daten. Beispielsweise kann eine grobe Schätzung der wahrscheinlichen Übergangstemperatur erhalten werden, indem die mittleren Hydrophobien der einzelnen Aminosäurereste oder ihrer Seitenketten-modifizierten Formen in den Monomer-Einheiten des Polymers summiert werden und das Ergebnis mit der Summe verglichen wird, die für Polymere mit bekannten Übergangstemperaturen erhalten werden.
Genauere Werte können für jedes bestimmte Polymer durch Messen von Übergangstemperaturen für eine Reihe verwandter Polymere berechnet werden, in denen nur eine Komponente anders ist. Beispielsweise können Polymere, die hauptsächlich VPGVG- Monomere mit variierenden Mengen an VPGXG-Monomeren enthalten (z. B. 2%, 4% und 8% X) hergestellt und auf Übergangstemperaturen getestet werden. Der Test besteht lediglich in der Herstellung des Polymers in unvernetzter Form, dem Auflösen des Polymers in Wasser, und der Erhöhung der Temperatur der Lösung, bis Trübung auftritt, was die Fällung von Polymer aus der Lösung anzeigt. Wenn die Übergangstemperaturen über den Anteil an VPGXG-Monomer im Polymer aufgetragen werden, wird eine Gerade erhalten, und der Anteil an VPGXG, der für jede andere gewünschte Temperatur (innerhalb der durch 0% bis 100% des VPGXG-Monomers angegebenen Grenzen) notwendig ist, kann direkt aus der Grafik erhalten werden. Wenn diese Technik mit der Möglichkeit der groben Abschätzung durch Hydrophobie-Summierung, wie oben beschrieben, kombiniert wird, kann jede gewünschte Übergangstemperatur im Bereich von flüssigem Wasser erhalten werden.
Bioelastomere Materialien stellen ein chemisch modulierbares Polymersystem bereit, wovon ein Teil eine gesteuerte Präsentationsrate der stärker polaren Spezies, wie z. B. des Carboxylatanions, gegeben sein kann. Durch den oben beschriebenen Mechanismus, worin gilt: (δu/δf)n < 0, kann der pKa einer Carboxylgruppe in einer Polymerkette durch zunehmende vizinale Hydrophobie erhöht werden (13, 15).
Wie oben angeführt ist hydrophobe Hydratation ein exothermer Vorgang. Demgemäß ist das umgekehrte Verfahren des inversen Temperaturübergangs, das die Zerstörung der Wässer hydrophober Hydratation umfasst, damit hydrophobe Assoziation erfolgt, ein endothermer Vorgang. Bei Einsatz des gleichen elastischen Proteins, Poly[0,8(VPGVG), 0,2(VPGEG)], wie es im oben erörterten Streckversuch eingesetzt wurde, beträgt die endotherme Wärme des inversen Temperaturübergangs etwa 1 kcal/Mol Pentameren bei niedrigem pH, wo alle Glu-(E-)Seitenketten COOH sind. Wenn der pH auf 4,5 erhöht wird, wo etwa zwei COO&supmin;-Gruppen pro 100 Reste und weniger als eine 20ºC-Zunahme des Werts von Tt vorliegen, ist die endotherme Übergangswärme auf etwa ein Viertel reduziert worden. Es scheint, dass annähernd drei Viertel des thermodynamisch messbaren Wassers der hydrophoben Hydratation während der Bildung von zwei COO--Gruppen destrukturiert worden ist. Das steht im Einklang mit dem oben vorgeschlagenen Mechanismus; Konkurrenz zwischen apolarer und polarer Spezies um die Hydratation hat dazu geführt, dass zwei Carboxylatanionen pro 100 Reste wirksam einen Großteil des Wassers der hydrophoben Hydratation destrukturieren.
Die obige Diskussion betrifft zwar allgemein das Phänomen der Steuerung inverser Temperaturübergänge in Bioelastomeren, unabhängig davon, ob diese Materialien die an elektrische Energie gekoppelten Transduktionseigenschaften gemäß vorliegender Erfindung aufweisen, es versteht sich jedoch, dass die gleiche Diskussion für das Variieren des inversen Temperaturübergangs von Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung relevant ist. Das Steuern des Werts von Tt ist ein dominantes Mittel, durch das die gefalteten und assemblierten Zustände von Proteinen und bioelastischen Polymeren auf Proteinbasis gesteuert werden, um eine Funktion zu erzielen. Wie zuvor erörtert umfassen Polymere gemäß vorliegender Erfindung auf Elektrizität ansprechende Seitenketten in einer ausreichenden Anzahl und vom Reaktionspaar-Typ, um für die gewünschten auf elektrische Energie ansprechenden Wirkungen zu sorgen. Das Versehen eines Polymers mit den auf Elektrizität ansprechenden Wirkungen gemäß vorliegender Erfindung beseitigt jedoch nicht die anderen Eigenschaften dieser Polymere. Demgemäß ist es möglich, die verschiedenen mechanochemischen und thermochemischen Eigenschaften zu erzielen, die zuvor beispielsweise für bioelastische Materialien beschrieben worden sind, indem ein Polymer bereitgestellt wird, das funktionelle Gruppen zusätzlich zu jenen enthält, die für die Empfindlichkeit gegenüber elektrischer Energie erforderlich sind. Wie hierin gelehrt ermöglicht die Wahl geeigneter empfindlicher zweiter Seitenketten, z. B. für Lichtenergie empfindlicher Seitenketten oder großer hydrophober Seitenketten (für die Druckempfindlichkeit), dass die potentiellen Transduktionen der freien Energie zwischen elektrischer Energie und chemischer, thermischer, Druck- oder Lichtenergie unter Einsatz von Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung erfolgen. Einem Polymer sind thermische und mechanische Eigenschaften zu eigen, wenn es lediglich die Polymer-Hauptkette und den erforderlichen inversen Temperaturübergang aufweist. Durch das Bereitstellen von Seitenketten, die bezüglich Änderungen in der elektrischen Energie reaktiv sind, wird elektrische Energie-Modulation ermöglicht.
Wie oben erörtert wurde eine unerwartete Beziehung zwischen Hydrophobie und durch Hydrophobie herbeigeführten pKa-Verschiebungen beobachtet. Dieses Phänomen kann · genutzt werden, um ein "Ausbalancieren" des Polymers zu ermöglichen, um die Effizienz der Transduktion der elektrischen Energie zu erhöhen. Unter Verwendung von Proteinen mit der Struktur Poly[fv(IPGVG)&sub1;fx(IPGXG)], worin fx = 1 bis 0,06 ist und X = E (Glu), D (Asp) oder K (Lys) ist, ist es möglich gewesen, durch Elektrostatik herbeigeführte pKa-Verschiebung von der durch Hydrophobie herbeigeführten abzugrenzen (Zitat 34, das durch Verweis hierin aufgenommen ist). Um zu bestimmen, wie stark die durch Hydrophobie herbeigeführten pKa-Verschiebungen sein können, wurde eine Reihe von Polytricosameren - Poly(30meren) auf Basis einer Reihe von sechs GVGVP-Wiederhorungen - synthetisiert, in denen bis zu 5 der 12 Val-Reste pro 30mer durch die stärker hydrophoben Phe-Reste ersetzt waren. Wenn die 5 Phe-Reste in Bezug auf den Glu- oder Asp-Rest in Einklang mit der β-Spiral-Struktur von Poly(VPGVG) optimal angeordnet waren, wurden pKa-Verschiebungen von nicht weniger als 3,8 für Glu(E) und sogar 6,1 für Asp(D) beobachtet. Für den Asp-Fall beträgt die pKa-Verschiebung 0,4, wenn nur zwei der fünf Phe-Ersetzungen im Polytricosamer enthalten waren, und wenn die anderen drei der fünf Phe-Ersetzungen enthalten waren, beträgt die pKa-Verschiebung 0,7. Wenn das Verfahren einfach im Verdrängen von stärker dielektrischem Wasser durch die schwächer dielektrischen Phe-Reste bestünde, sollten die Substitutionen der ersten zwei und der zweiten drei Val-Reste durch Phe im Wesentlichen additiv sein, d. h. 0,4 + 0,7 = 1,1, aber statt dessen beträgt die Verschiebung 6,1. Die Stärke der Verschiebung ist stark nicht-linear in Bezug auf die Anzahl an (hydrophoben) Phe-Resten, die im Polymer vorhanden sind (Fig. 2).
In Hinblick auf durch Hydrophobie herbeigeführte pKa-Verschiebungen tritt eine Zunahme des pKa für eine Carboxylgruppe bei einer Zunahme der Hydrophobie der bioelastischen Einheit auf. Bei Aminogruppen und Histidin tritt mit zunehmender Hydrophobie eine Verringerung des pKa auf. Die Richtung der pKa-Verschiebung hängt davon ab, welcher Zustand der Gruppe stärker hydrophob ist.
Ein Vergleich der pKa-Verschiebung der Polymere Poly(GEGFP GVGVP GVGVP GVGVP GFGFP GFGFP) und Poly(GEGFP GVGVP GVGFP GFGFP GVGVP GVGFP) zeigt unerwarteterweise, dass das zweitere Polymer eine stärkere pKa-Verschiebung ergibt (Zitat 52, das durch Verweis hierin aufgenommen ist). Die Wirkung ist unerwartet, da auf Basis der Primärstrukturen die Glu-Reste im ersten Polymer stärkere Hydrophobie erfahren und zu erwarten ist, dass sie die stärkere pKa-Verschiebung ergeben. Nur wenn die richtige dreidimensionale Konformation, in diesem Fall β-Spiralfaltung, berücksichtigt wird, wird die räumliche Nähe ersichtlich, und die Glu-Phe-Nähe erklärt die stärkere pKa-Verschiebung, die das letztere Polymer aufweist. Somit erhöht in Hinblick auf Protein-Engineering von auf Elektrizität ansprechenden bioelastischen Polymeren gemäß vorliegender Erfindung, die Erhöhung der dreidimensionalen Nähe hydrophober Reste entweder zur auf Elektrizität ansprechenden Gruppe oder zum zweiten Seitenketten-Paar in Fällen, wo eines davon oder beide eine pKa-Verschiebung erfahren können, das Ausmaß der pKa-Verschiebung. Die durch Hydrophobie herbeigeführte pKa-Verschiebungswirkung ist ein Beispiel dafür, wie Polymere gemäß vorliegender Erfindung herzustellen und zu konstruieren sind, um das Ansprechen auf Elektrizität der Polymere fein abzustimmen und zu steuern. Die Regelmäßigkeit der Polymerstrukturen gemäß vorliegender Erfindung erhöht die Vorhersagbarkeit der Struktur während der Polymerkonstruktion, ein Merkmal, das von den zuvor verfügbaren Polymeren mit statistischer Struktur, wie z. B. Polyacrylamiden, nicht ermöglicht wurde.
Die mittlere Rest-Hydrophobie eines Polymers kann unter Einsatz der Hydrophobie-Skala für Aminosäuren (Tabelle 1) und des Verfahrens von Urry et al., (44 und 53, die beide durch Verweis hierin aufgenommen sind) berechnet werden.
Die unerwartete Nicht-Linearität von durch Hydrophobie herbeigeführten pKa-Verschiebungen ist in Fig. 2 für Polymere veranschaulicht, die einen protonierbaren Rest, wie z. B. Glutaminsäure, Asparaginsäure oder Histidin, mit einer zunehmenden Anzahl an hydrophoben Phenylalaninresten enthalten. Wirkungen wie pKa-Verschiebung verstärken sich nicht nur mit zunehmender Hydrophobie, mit der das Polymer konstruiert wird, sondern verstärken sich auch nicht-linear. Eine Verstärkung anderer Wirkungen kann durch Ausbalancieren hervorgerufen werden, einschließlich von Ausdehnung/Zusammenziehen, Oxidation/Reduktion, Ionisierung/Entionisierung, Salzaufnahme/-abgabe und an Lichtenergie gekoppelte Transduktionen.
Bevorzugte auf Elektrizität ansprechende Gruppen sind jene, die über die Länge des Polymers gebunden, angeordnet und ausgerichtet werden können. Eine Reaktion des Ansprechens auf Elektrizität, die zu einer Änderung der Hydrophobie oder Polarität der Seitenkette führt, ist ein Dinukleotid, z. B. NAD oder FAD. Ebenfalls bevorzugt werden Analoge der obigen auf Elektrizität ansprechenden Moleküle, insbesondere ihrer natürlich vorkommenden Spaltprodukte, die Ansprechen auf Elektrizität beibehalten.
Vernetzung einer Polymerlösung, um eine elastische Matrix zu bilden, kann unter Einsatz verschiedener Vernetzungsverfahren durchgeführt werden, z. B. chemischer, enzymatischer oder solcher durch Bestrahlung. US-Patent Nr. 4.589.882, das durch Verweis hierin aufgenommen ist, lehrt enzymatische Vernetzung durch Synthetisieren von Blockpolymeren, die enzymatisch vernetzbare Einheiten aufweisen. Wenn Bestrahlung eingesetzt wird, um ein Polymer zu vernetzen, das eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, werden die Seitenketten-Substituenten, die für die Tt Wirkung verantwortlich sind, so gewählt, dass sie auf die Vernetzungsbestrahlung nicht reagieren oder nur minimal reagieren.
Die auf Elektrizität ansprechenden Materialien gemäß vorliegender Erfindung können bei einer Vielzahl verschiedener Verfahren, Arbeit leistender Vorrichtungen sowie bei Vorrichtungen eingesetzt werden, die Änderungen der elektrischen Energie anzeigen oder andere Typen freier Energien transduzieren. Es ist erkennbar, dass gewinnbare mechanische und/oder chemische Arbeit aus dem mit Veränderungen der elektrischen Energie verbundenen Ausdehnen und Zusammenziehen der Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung erhalten werden kann und dass eine solche Arbeit in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden kann, insbesondere in abgeschlossenen Systemen oder Systemen, die für Verunreinigungen anfällig sind und die daher nur schwer von außerhalb des Systems manipuliert werden können. Die folgenden Beispiele für Verfahren, Geräte und Vorrichtungen sind nur einige der vielen möglichen Variationen.
Es versteht sich, dass die Einschränkungen, die für die auf Elektrizität ansprechenden bioelastischen Polymere gemäß vorliegender Erfindung gelten, auch für Zusammensetzungen, Geräte und Maschinen gelten, die diese Polymere enthalten, sowie für Verfahren zur Herstellung dieser Polymere. Beispielsweise sind die Zusammensetzungen jene, die ein bioelastomeres Polymermaterial enthalten, das bioelastomere Grundeinheiten enthält, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, worin zumindest ein Teil der Einheiten einen Aminosäurerest enthält, der eine auf Elektrizität ansprechende Seitenkette aufweist. Und beispielsweise sind nützliche Zusammensetzungen für Energie-Transduktionen vom Tt- Typ zweiter Ordnung jene, worin das bioelastische Polymer weiters zumindest einen Anteil an bioelastomeren Grundeinheiten enthält, die einen zweiten Aminosäurerest mit einer Seitenkette aufweisen, die fähig ist, eine chemische Veränderung zu erfahren.
Bei einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung wird mechanische Arbeit geleistet, indem das Einwirken elektrischer Energie auf eine Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung wie oben beschrieben verändert wird. Die Zusammensetzung, üblicherweise ein Polymer in einer wässrigen Umgebung, das von einem Wasserkörper umgeben ist, so dass Wasser in das Polymer und aus ihm heraus gelangen kann, während Übergänge stattfinden, ist so eingeschränkt, dass Ausdehnung und/oder Zusammenziehen des Polymers mechanische Arbeit erzeugt. Eine Art, für die gewünschte Änderung der elektrischen Energie an der Zusammensetzung zu sorgen, besteht darin, die Zusammensetzung ein einer wässrigen Umgebung bereitzustellen und ihr elektrochemisches Potential zu ändern. Die Änderung kann beispielsweise eine Oxidation/Reduktion einer Thio-Gruppe oder Coordination eines Liganden mit dem Eisenatom von Häm usw. sein. Nach dem Stand der Technik sind entweder Makro- oder Mikroverfahren für das Einwirken elektrischer Energie bekannt und eignen sich für die Abgabe elektrischer Energie.
Beispielsweise kann ein Gerät zur Erzeugung mechanischer Arbeit hergestellt werden, das ein Polymer oder anderes Material gemäß vorliegender Erfindung enthält, das eingegrenzt ist, so dass Ausdehnung oder Zusammenziehen des Polymers mechanische Arbeit erzeugt. Wenn das Elektropotential des Polymers verändert wird, dehnt sich das Polymer aus oder zieht sich zusammen, um die gewünschte Arbeit zu leisten. Die Zusammensetzung wird in Form eines Streifens hergestellt, wobei ein Ende des Streifens an einer fixen Position in einem Behälter befestigt ist und das andere Ende an einem Objekt befestigt wird, das bewegt wird, wobei es sich um ein Gewicht, einen Hebel, einen Schalter oder eine andere mechanische Einrichtung handeln kann. In Abhängigkeit von der auf Elektrizität ansprechenden Gruppe, die im Polymer vorgesehen ist, kann eine Änderung der elektrischen Energie entweder bewirken, dass das Objekt gesenkt oder gehoben wird, wenn sich der erhaltende Streifen zusammenzieht. Das Objekt kann ein Kolben sein, so dass Ausdehnen oder Zusammenziehen des Polymers als Reaktion auf elektrische Energie eine Bewegung des Kolbens bewirkt, um gewinnbare mechanische Arbeit zu verrichten.
Wenn funktionelle Gruppen, die fähig sind, reversible chemische Änderungen zu erfahren, in den auf Elektrizität ansprechenden Zusammensetzungen wie oben erörtert enthalten sind, können chemische Veränderungen in der Umgebung verursacht werden, die eine Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung umgibt, indem das Einwirken elektrischer Energie auf die Zusammensetzung verändert wird, was eine Veränderung im Zusammenziehen/Ausdehnen der Zusammensetzung bewirkt, so dass eine Änderung im pKa der Zusammensetzung eine resultierende Änderung des pH in der Umgebung bewirkt. Dieses Verfahren kann leicht in einem Gerät umgesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann elektrische Energie durch Änderungen im pH des wässrigen Mediums gemessen werden, das eine Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung umgibt, wenn das wässrige Medium Veränderungen im Einwirken elektrischer Energie erfährt. Wenn sich das Einwirken elektrischer Energie auf die Zusammensetzung ändert und entweder zu einem Zusammenziehen oder Ausdehnen der Zusammensetzung führt, bewirken Änderungen des pKa in der Zusammensetzung pH-Änderungen im umgebenden Wasser. Es ist lediglich notwendig, die Skala des pH-Messers in Einheiten elektrischer Energie zu eichen, damit das System die Ablesung der elektrischen Energie an einer entfernten Stelle ermöglicht.
Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung sind auch in Situationen nützlich, wo eine Kontraktion über die durch mechanische Mittel bewirkte hinaus gewünscht ist. Beispielsweise ist eine nützliche Anwendung für die Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung jene als chirurgische Nähte, insbesondere für mikrochirurgische Eingriffe. Nähte aus Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung können beispielsWeise in der Anastomose eingesetzt werden, und ziehen sich beim nachfolgenden Anlegen elektrischer Energie zusammen (irreversibel, wenn im Polymer die entsprechende auf Elektrizität ansprechende Gruppe vorhanden ist) und verengen sich im gewünschten Ausmaß. Besonders bevorzugt für diesen Zweck werden Materialien auf Basis von elastomeren Pentapeptid-, Tetrapeptid- und Nonapeptid-Monomeren wie hierin beschrieben, da bei diesen Materialien die Biokompatibilität bereits nachgewiesen worden ist. Siehe die verschiedenen oben angeführten Patente und Patentanmeldungen, die sich mit biokompatibler Verwendung dieser Materialien und der Verwendung dieser Materialien für derartige Vorrichtungen beschäftigen. Diese Patente und Anmeldungen nach dem Stand der Technik haben sich zwar nicht mit auf Elektrizität ansprechenden Polymerverbindungen beschäftigt, liefern aber eine nützliche Anleitung für die Biokompatibilität und die Herstellung von Bioelastomeren, um nützliche Struktur- und Oberflächenmerkmale für biomedizinische Verwendungen zu erhalten.
Membranen, die aus bioelastischen Polymeren bestehen, sind eine weitere nützliche Ausführungsform der Erfindung, die eine Alternative zu "Wärmeschrumpfung" als Mittel zum Erreichen einer dichten Abdichtung einer Membran oder Hülle über einen Bereich oder um ein Objekt herum bereitstellt. Das Anlegen elektrischer Energie einer bestimmten Art oder Intensität an eine Membran aus bioelastischen Polymeren kann Zusammenziehen des Polymers herbeiführen, was zum Schrumpfen der Membran oder Hülle führt. Das Schrumpfen kann in Abhängigkeit von der Wahl der reaktiven Gruppe, wie gemäß vorliegender Erfindung gelehrt, reversibel oder irreversibel sein.
Eine oder mehrere Peptidbindungen kann bzw. können gegebenenfalls durch Ersatzbindungen ersetzt sein, wie sie durch Reduktion oder Eliminierung erhalten werden. So können eine oder mehrere der -CONH-Peptidbindungen durch andere Typen von Bindungen ersetzt werden, wie z. B. -CH&sub2;NH-, -CH&sub2;S-, -CH&sub2;CH&sub2;-, -CH=CH- (cis und trans), -COCH&sub2;-, -CH(OH)CH&sub2;- und -CH&sub2;SO-, und zwar nach Verfahren die nach dem Stand der Technik bekannt sind, siehe beispielsweise A. F. Spatola, "Chemistry and Biochemistry of Amino Acids, Peptides and Proteins", B. Weinstein (Hrsg.), Marcel Dekker, New York, S. 267 (1983), das einen allgemeinen Überblick gibt. Aminosäurereste sind bevorzugte Bestandteile dieser Polymer-Hauptketten. Weniger bevorzugte Bestandteile sind Aminosäurehomologe. Auf Elektrizität ansprechende Gruppen und zweite Seitenketten- Reaktionspaar-Gruppen werden zwar vorzugsweise unter Einsatz bekannter Aminosäure- und Proteinchemie-Verfahren an funktionelle reaktive Gruppen auf Aminosäureketten-Seitenketten gebunden, die Bindung ist jedoch nicht entscheidend, so lange sie das Ansprechen auf Elektrizität oder die zweite Seitenketten-Paar-Reaktion nicht behindert, die gewünschte Positionierung der Seitenkette ermöglicht, um Wirkungen wie Ausbalancieren zu erreichen, und die Struktur der bioelastischen Einheiten nicht unterbricht, die notwendig ist, um einen inversen Temperaturübergang zu erreichen. Natürlich kann falls gewünscht eine Bindung gewählt werden, um jede Seitenketten-Reaktion zu modulieren.
Selbstverständlich sind, wenn Hauptketten-Modifikation in den Elastomereinheiten vorgenommen wird, geeignete Hauptketten-Modifikationen jene, bei denen die Elastizität und der inverse Temperaturübergang des Polymers beibehalten werden.
Die Wahl einzelner Aminosäuren, aus denen die Elastomereinheiten und das resultierende Polypeptid zu synthetisieren sind, unterliegt keiner Einschränkung, solange die resultierende Struktur Elastomerstrukturen mit Merkmalen umfasst, die beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4.474.851 und 5.064.430 beschrieben werden, insbesondere β- Faltungskonformation, und auf Elektrizität ansprechende Seitenketten enthält, wie in der vorliegenden Anmeldung offenbart.
Wie in früheren US-Patenten offenbart werden bioelastomere Materialien mit zusätzlichen Eigenschaften, z. B. Festigkeit, spezifischer Bindung, versehen, indem die elastischen Grundeinheiten mit einem zweiten Material mit höherer Festigkeit oder mit einer gewünschten Eigenschaft kombiniert werden, wie in den US-Patenten Nr. 4.474.851 und Nr. 5.064.430 offenbart.
Mit biologisch verträglich ist gemeint, dass das Material in seiner Endform dem Organismus oder der Zelle, in den bzw. die es implantiert wird, nicht in einem solchen Ausmaß schadet, dass die Implantation genauso schädlich wie oder schädlicher als das Material selbst ist.
Eine derartige Compoundierung kann an der Hauptkette des Polymers ausgerichtet werden, indem Copolymere hergestellt werden, in denen bioelastische Einheiten, die β-Faltungen bilden, zwischen Polymereinheiten eingestreut werden, die für eine gewünschte Eigenschaft sorgen, z. B. Zelladhäsionssequenzen, die Arg-Gly-Asp enthalten.
Dieser neue Typ von Biomaterial kann für eine vielfältige Gruppe von Anwendungen bestimmt sein, wodurch die Verwendungen bioelastischer Materialien, die in den zahlreichen Patenten und Patentanmeldungen des Erfinders des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes beschrieben wurden, ergänzt und ausgeweitet werden. Durch elektrische Energie herbeigeführte Änderungen im Tt eines Target-Bioelastomerpeptids ermöglicht nicht-invasive Verfahren zur Erreichung eines gewünschten Ergebnisses. Beispielsweise findet eine Arzneimittelmatrix (siehe US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 07/962.608, eingereicht am 16. Oktober 1992 vom Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes, die durch Verweis hierin aufgenommen ist) die aus einem auf Elektrizität ansprechenden bioelastischen Polymer gemäß vorliegender Erfindung besteht, das sein Arzneimittel bei einer Änderung im elektrochemischen Potential freisetzt, bei Gewebekultur Anwendung, worin die Abgabe von Arzneimitteln oder anderen Faktoren an Zellen zu einem gewünschten Zeitpunkt erzielt werden kann, ohne dass invasive Eingriffe notwendig sind, die die Gefahr der Verunreinigung der Kultur erhöhen oder andere Kulturbedingungen verändern würden. Auf ähnliche Weise kann die Arzneimittelabgabe in vivo durch die Verabreichung einer mit Arzneimittel imprägnieren bioelastischen Matrix erfolgen, die so konstruiert ist, dass sie als Reaktion auf elektrische Energie die Tt ändert und sich zusammenzieht und ihr Arzneimittel freisetzt. Gesteuerte Arzneimittel-Freisetzung und/oder Abbau der mit Arzneimittel imprägnierten bioelastischen Matrix kann erreicht werden, indem auf Elektrizität ansprechende Seitenkettengruppen aufgenommen werden, die die Eigenschaften von Seitenkettengruppen erzielen, die in der US-Patentanmeldung Seriennr. 07/962.608 gelehrt werden, wie z. B. funktionelle Gruppen, die für Hydrolyse bei Änderung des elektrochemischen Potentials anfällig sind. Das mit Arzneimittel imprägnierte oder Arzneimittel enthaltende Material kann schwammartig oder hüllenartig sein. Arzneimittel-Abgabe kann auf die gesteuerte Pestizid- oder Herbizid- Freisetzung ausgeweitet werden. Das sind nur einige Beispiele für die Verwendung der bioelastischen Peptide gemäß vorliegender Erfindung für die Transduktion (die Umwandlung) der elektrischen Energie in nützliche mechanische Arbeit.
US-Patent Nr. 5.032.271 des Erfinders des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes beschreibt eine Vorrichtung, die ein bioleastisches Polymer enthält, das zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser mit Hilfe einer ausgeübten mechanischen Kraft fähig ist, wobei mechanische in chemische Energie umgewandelt wird. Die bezüglich elektrischer Energie reaktiven Polymere gemäß vorliegender Erfindung stellen eine Vorrichtung zum Entsalzen bereit, die mit elektrischer Energie betrieben werden kann. Ein Entsalzer umfasst einen ausdehnbaren Behälter, der eine Wassereinfüllöffnung und eine Ablassöffnung aufweist und ein bioelastisches Polymer gemäß vorliegender Erfindung (das zur reversiblen Reaktion fähig ist) in einem entspannten Zustand im Salzwasser enthält. Bei einer Änderung des Einwirkens elektrischer Energie auf das Polymer dehnt sich das Polymer aus. Durch Ausdehnung des Polymers werden hydrophobe Gruppen freigelegt, und das Polymer nimmt Wasser auf, wenn die freigelegten hydrophoben Gruppen mit klathratartigem Wasser umgeben werden. Da die Aufnahme von Ionen aus der Lösung durch die Hydrophobie des Polymers nicht begünstigt wird, weist das aufgenommene Wasser weniger Ionen auf als das anfängliche Salzwasser. Das überschüssige Wasser mit hohem Salzgehalt wird aus dem Behälter abgelassen, während sich das Polymer streckt. Durch Rückführung des Einwirkens elektrischer Energie in den Ausgangszustand zieht sich das Polymer zusammen, was ein Auspressen von Wasser bewirkt, das eine geringere Salzkonzentration aufweist. Dieser Vorgang kann unter Einsatz des reversibel ansprechenden Polymers wiederholt werden, bis das Salzwasser wirksam entsalzt ist. Das ist nur ein weiteres Beispiel dafür, wie die vorliegende Erfindung die Anwendungen bereits bekannter bioelastischer Polymere erweitert.
Nachdem die Erfindung nun allgemein beschrieben worden ist, wird sie unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser verstanden werden, die nur zum Zweck der Veranschaulichung angeführt sind und die Erfindung nur dann einschränken sollen, wenn dies spezifisch angegeben ist.

Versuch 1: Synthese geeigneter Polymere auf Proteinbasis

Die für die Synthese dieser Polymere erforderlichen Pentapeptide werden synthetisiert wie bereits von Urry et al., "Syntheses, Characterizations and Medical Uses of the Polypeptide of Elastin and Its Analogs", Biocompatibility of Tissue Analogues, D. F. Williams (Hrsg.), CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, 89-116 (1985), und Urry et al., "Chemical Potential Driven Contraction and Relaxation by Ionic Strength Modulation of an Inverse Temperature Transition", J. Am. Chem. Soc. 110, 3303-3305 (1988), beschrieben.
Boc-GVGVP-ONp (0,67 Mol) und Boc-GFGVP-ONp (0,33 Mol) sind gemeinsam unter Verwendung von TFA zu entblockieren, und eine 1 M Lösung von TFA-Salz in Dimethylsulfoxid (DMSO) wird 14 Tage lang unter Einsatz von 1,6 Äquiv. NMM als Base polymerisiert. Nach Ablauf dieser Zeit wird das Polymer in Wasser gelöst und in einem Dialyseschlauch mit einem Molekulargewichts-Cut-off von 3.500 dialysiert und lyophilisiert. Das Polymer wird in Wasser erneut gelöst, mit 1 N NaOH Basen-behandelt, gegen einen Molekulargewichts-Cut-off von 50 kD dialysiert und lyophilisiert, was Poly[0,67 (GVGVP),0,33(GFGVP)] als Polymer I ergibt.
Boc-GVGVP-ONp (0,57 Mol), Boc-GFGVP-ONp (0,33 Mol) und Boc-GE(OCHx)GVP- ONp (0,1 Mol) werden entblockiert und polymerisiert. Das Polymer wird in einem Dialyseschlauch mit einem Molekulargewichts-Cut-off von 3.500 dialysiert und lyophilisiert. Die Glutaminsäure-Seitenketten-Schutzgruppe (OCHx) wird unter Verwendung von HF : p-Kresol in einem Volumsverhältnis von 90 : 10 1 h lang bei 0ºC entblockiert. Das Polymer wird mit Ether gewaschen und erneut in Wasser gelöst. Der pH der Lösung wird auf pH 10 eingestellt und die Lösung über Nacht bei 4ºC gerührt. Der pH wird auf pH 6 eingestellt, die Lösung in einem Dialyseschlauch mit einem Molekulargewichts-Cut-off von 50 kD dialysiert und lyophilisiert, was Poly[0,57(GVGVP),0,33 (GFGVP),0,1 (GEVP)] als Polymer II ergibt.
Die Synthese von Pentadecamer erfolgt durch 5 + (5 + 5)-Strategie. Boc-GVG FP-OBzl wird mit HCl/Dioxan entblockiert und an BOC-GE(OCHx)GVP-OH gebunden, wobei 1- Ethyl-3-[3-(dimethylaminopropyl]carbodiimidhydrochlorid (EDCl) mit Hydroxybenzotriazol (HOBt) verwendet wird, was Boc-GE(OCHx)GVPGVGFP-OBzl ergibt. Der Decapeptidbenzylester wird entblockiert und in Gegenwart von EDCl und HOBt an Boc-GVGFP- OH gebunden, was Boc-GVGFPGE(OCHx)GVPGVGFP-OBzl ergibt. Dies wird zur freien Säure hydriert, die beim Umsetzen mit Bis(p-nitrophenyl)carbonat weiters in den p- Nitrophenylester (ONp) übergeführt wird. Die Boc-Gruppe wird entfernt, und das Pentadecamer wird polymerisiert und wie Verbindung II behandelt, was Poly[GVGFPGEGV- PGVGFP] als Polymer III ergibt. Dieses Polymer dient dazu, die Wirkung des Erhöhens der Nähe von F zu E und des erhöhten Phe-Gehalts zu untersuchen.
Boc-GVGVP-ONp (0,57 Mol) Boc-GFGVP-ONp (0,33 Mol) und Boc-GK(2-Cl-Z)GVP- ONp (0,1 Mol) werden entblockiert, polymerisiert, mit einem Molekulargewichts-Cutoff von 3.500 dialysiert und lyophilisiert. De Lysin-Seitenkettenschutz (2-Cl-Z) wird unter Einsatz von DMS : HF : p-Kresol in einem Volumsverhältnis von 65 : 25 : 10 l h lang bei 0ºC entblockiert. Das Polymer wird in Wasser gelöst, mit 1 N NaOH Basen-behandelt, mit einem Molekulargewichts-Cut-off von 50 kD dialysiert und lyophilisiert, was Poly- [0,57(GVGVP), 0,33(GFGVP),0,1 (GKGVP)] als Polymer IV ergibt.

Versuch 2: Bindung entsprechender Redox-Paare

a. NAD-Bindung an Polymer II

Polymer II und HOBt in 2,2,2-Trifluorethanol (TFE) werden auf -15ºC abgekühlt, und EDCI wird zugegeben. Nach Rühren für 20 min wird eine vorgekühlte Lösung von NAD in Wasser und NMM zugegeben und 3 Tage lang bei Raumtemperatur gerührt. Nach dem Abdampfen von TFE wird der Rückstand in Wasser gelöst, unter Einsatz eines Dialyseschlauchs mit einem Molekulargewichts-Cut-off von 50 kD dialysiert und lyophilisiert, was Poly[0,57(GVGVP),0,33(GFGVP),0,1(GE{NAD}GVP)] ergab.

b. FAD-Bindung an Polymer II

FAD wird nach dem gleichen Syntheseverfahren an Polymer II gebunden, wie für die Bindung von NAD beschrieben.
Sowohl NAD als auch FAD dienen an Polymer II gebunden zum Testen der Auswirkung des zusätzlichen Drucks auf ihr Reduktionspotential in einer unter Druck stehenden Zelle.

c. N-Me-Nicotinsäurebindung an Polymer IV (dient nur als Bezugsbeispiel)

Die Carboxylgruppe von N-Methylnicotinsäure wird durch EDCI in Gegenwart von HOBt aktiviert und dazu gebracht, mit der &epsi;-NH&sub2;-Gruppe von Lysin in Polymer IV zu reagieren. Nach dreitägigem Rühren werden die nicht-umgesetzten Reagenzien und Nebenprodukte durch 50 kD-Dialyse entfernt, und die Probe wird lyophilisiert.
Dieses Polymer dient dazu, um die Auswirkung von Druck auf den Oxidationszustand zu testen.

Versuch 3: Konstruktion einer transparenten unter Druck setzbaren Zelle für potentiometrische Untersuchungen

a. Eine Druckzellenkonstruktion ermöglicht das Beaufschlagen mit einem Druck von 100 atm. Es wird ein Quarzröhrchen mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von 2 mm verwendet, das in Edelstahl-Endplatten mit einer O-Ring- Dichtung eingepasst wird. Konzentrisch dazu wird ein Pyrex-Röhrchen mit einer O- Ring-Dichtung in die Endplatten eingepasst, um die Zelle thermostabil zu machen. Die Endplatten weisen eine zentrale Öffnung auf, um Zugang zum Probenbereich zu haben. Armaturen für die Öffnungen haben eine solche Konfiguration, dass das Anlegen und Überwachen von Druck ermöglicht wird, und enthalten Elektroden für potentiometrische Messung und Steuerung. Auch der Ansatz von A. Disteche, "pH Measuremetlts with a Glass Electrode Withstanding 1500 kg/cm² Hydrostatic Pressure", Rev. Sci. Instr. 30, 474-478 (1959), zur Durchführung von pH-Messungen unter hohem Druck kann in die Anordnung integriert werden.

Versuch 4. Inverser Temperaturübergang Tt gekoppelt an den Oxidationszustand von Nukleotid

Es ist gezeigt worden, dass sich der Wert von Tt mit dem Oxidationszustand des Nicotinamid-Adenin-Dinukleotids (NAD) und Flavin-Adenin-Dinukleotids (FAD) ändert. Kovalente Bindung des oxidierten Dinukleotids über Amidbindung zwischen der Glu-Rest- Carboxylgruppe und der Adenin-NH&sub2;-Gruppe bewirkt eine geringfügige Erhöhung des Werts von Tt bei NAD-Addition und des Werts von Tt bei FAD-Addition im Vergleich zum Glu(COOH)-Zustand des Polypentapeptids für phosphatgepufferte Salzlösung (0,15 N NaCl, 0,01 M Phosphat). Signifikant für beide Dinukleotide bewirkte die Reduktion der Nicotinamidgruppe durch Dithionit ein Sinken der Tt um 40ºC, und jene der Flavingruppe bewirkte ein Sinken des Werts von Tt. Somit können die obigen Störungen von Tt für Oxidation und Reduktion eingesetzt werden, um Entfaltung bzw. Faltung anzutreiben, und unter Verwendung der Hydrophobie-Skala für die Aminosäurereste kann die Übergangstemperatur des Polypentapeptids nach Wunsch festgelegt werden. Es ist nun möglich, die funktionellen prosthetischen NAD- und FAD-Gruppen zur Hydrophobie-Skala hinzuzufügen, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Versuch 5 - Baroelektrische Transduktion (piezoelektrischer Effekt)

Es ist festgestellt worden, dass die Bindung von Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) über Amidbindung an eine Glu-Carboxylgruppe ein Polymer auf Proteinbasis ergibt, dessen Übergangstemperatur sich bei der Reduktion ändert. Demgemäß werden sowohl Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) als auch FAD an Polymer II gebunden, und die Wirkung des zusätzlichen Drucks auf ihr Reduktionspotential wird in der mit Druck beaufschlagbaren Zelle untersucht.
Auch wird Poly[0,57(GVGVP),0,33(GFGVP),0,1(GKGVP)]-Polymer IV synthetisiert, um Carboxylgruppen zu verwenden, die für die Bindung über Amidbindung an das &epsi;-NH&sub2; von Lys(K) geeignet sind. Die gebundene Gruppe ist N-Methylnicotinat. Diese wird ebenfalls als vernetzte Elastomermatrix bezüglich der Auswirkung des Drucks auf den Oxidationszustand getestet. Diese letzten Ergebnisse dienen nur der Dokumentation.

Schlussfolgerungen:

Unter Verwendung von Poly(Val¹-Pro2-Gly3-Val4-Gly5), d. h. Poly(VPGVG) als Ausgangs-Molekülsystem, das Zusammensetzungs- und von gelöstem Stoff abhängige inverse Temperaturübergänge hydrophober Faltung bei Erhöhung der Temperatur aufweist, wurden die Dinukleotide - Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) und Flavin-Adenin- Dinukleotid (FAD) - jeweils über Amidbindung zwischen dem NH&sub2; des Adeninrings und dem γCOOH des Glu(E)-Rests in Poly[fv(VPGVG)fx(VPGEG)] gebunden, worin fv und fx Molenbrüche sind, für die gilt: fv + fx = 1. Mit den Definitionen E' = Glu(NAD) und E" = Glu(FAD) kann die Übergangstemperatur Tt für E' und E"-Analoge festgestellt und auf fx = 1 extrapoliert werden. Signifikanterweise wird bei Reduktion mit Natriumdithionit die Übergangstemperatur für E' (reduziert) und für E" (reduziert) gesenkt, wenn auf fx = 1 extrapoliert und bezüglich der zugesetzten Salzkonzentration korrigiert wird.
Durch Senken der Temperatur des inversen Temperaturübergangs kann die Reduktion des Dinukleotids bei einer Temperatur unmittelbar unterhalb der Tt für das Polypeptid oder Protein eingesetzt werden, um hydrophobe Faltung, d. h. elektromechanische Transduktion, anzutreiben. Demgemäß kommt Oxidation/Reduktion zu Protonierung/Deprotonierung, Phosphorylierung/Dephosphorylierung, Kompression/Dekompression, Veränderungen in der Konzentration an gelöstem Stoff usw. beim Verschieben der Temperatur der inversen Temperaturübergänge als Mittel hinzu, um Transduktion freier Energie in Polypeptiden und Proteinen zu erreichen.

Claims

1. Bioelastisches Polymer, das auf elektrische Energie anspricht, umfassend:

ein bioelastomeres Polypeptid mit einem inversen Temperaturübergang, das eine Bioelastomer-Grundeinheit enthält, die eine β-Faltung enthält, worin die Bioelastomer- Einheiten aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und worin zumindest ein Aminosäurerest in der Bioelastomer-Einheit an ein Dinukleotid gebunden ist, um eine Seitenkette zu bilden, die auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie anspricht, was eine Veränderung der Polarität oder Hydrophobie der Seitenkette bewirkt, und die in ausreichender Menge vorhanden ist, um für eine Verschiebung der Temperatur des inversen Temperaturübergangs des Polymers bei Änderung des Einwirkens von elektrischer Energie zu sorgen.

2. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1, worin das Dinukleotid NAD oder FAD ist.

3. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin die Reaktion der ansprechenden Seitenkette reversibel ist.

4. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin nur ein Teil der Bioelastomer-Grundeinheiten im Polymer die Seitenkette enthalten, die auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie anspricht.

5. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin die Temperatur des inversen Temperaturübergangs im Bereich von flüssigem Wasser liegt.

6. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, das weiters eine zweite Aminosäure umfasst, die eine Seitenkette aufweist, die in der Lage ist, in wässriger Umgebung eine chemische Veränderung zu erfahren.

7. Bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin die Änderung der Hydrophobie der ansprechenden Seitenkette der Hydrophobie einer CH&sub2;-Gruppe entspricht oder stärker ist.

8. Zusammensetzung, die sich bei einer Änderung des Einwirkens von Lichtenergie ausdehnt oder zusammenzieht, welche Folgendes umfasst:

ein Polymermaterial mit einem inversen Temperaturübergang, worin das Polymer Bioelastomer-Grundeinheiten umfasst, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und worin zumindest ein Teil der Bioelastomer-Grundeinheiten im Polymer an ein Dinukleotid gebunden sind, um eine auf Elektrizität ansprechende Seitenkette zu bilden, die auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie anspricht, um eine Änderung der Polarität oder Hydrophobie der Seitenkette zu bewirken, und die in ausreichender Menge vorhanden ist, um für eine Verschiebung der Temperatur des inversen Temperaturübergangs des Polymers bei Änderung des Einwirkens von elektrischer Energie zu sorgen.

9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, worin das Polymer eine Reihe von β-Faltungen umfasst, die durch zwischen den β-Faltungen eingebundene dynamische Brückensegmente getrennt sind.

10. Zusammensetzung nach Anspruch 9, worin das Polymer im Wesentlichen aus Bioelastomer-Polypeptideinheiten besteht, die jeweils eine β-Faltung umfassen.

11. Zusammensetzung nach Anspruch 9, worin das Polymer mehrere Bioelastomer- Polypeptid-Grundeinheiten umfasst, die jeweils eine β-Faltung umfassen, und weiters intervenierende Polypeptidsegmente zwischen zumindest einigen Bioelastomer-Grundeinheiten umfasst.

12. Zusammensetzung nach Anspruch 8, worin zumindest ein Teil der Elastomer-Einheiten eine VPGVG-Grundeinheit umfasst.

13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, worin das Polymer ein Segment mit der Formel Poly[fx(VPGXG),fv(VPGVG)] umfasst, worin fx und fv Molenbrüche sind, wobei gilt: fx + fv = 1, und X den Aminosäurerest mit einer auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette darstellt.

14. Zusammensetzung nach Anspruch 13, worin das Polymer ein Segment mit der Formel Poly[fx(VPGXG),fv(VPGVG),fz(VPGZG)] umfasst, worin fx, fv und fz Molenbrüche sind, wobei gilt: fx + fv + fz = 1, X den Aminosäurerest mit einer auf Elektrizität ansprechenden Seitenkette darstellt und Z einen Aminosäurerest mit einer Seitenkette darstellt, die in der Lage ist, in einer wässrigen Umgebung eine chemische Änderung zu erfahren.

15. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit, welches umfasst:

das Ändern des Einwirkens von elektrischer Energie auf ein bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Polymer so eingegrenzt ist, dass eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen des Polymers mechanische Arbeit erzeugt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, worin ein Objekt, das mit dem Polymer, das sich unter dem Einfluss einer Kraft befindet, der das Polymer Widerstand leistet, in Kontakt steht, sich unter dem Einfluss der Kraft bewegt, wenn sich das Polymer zusammenzieht oder ausdehnt, wenn die Einwirkung von elektrischer Energie geändert wird.

17. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Arbeit, welche umfasst:

ein bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2;

Mittel zum Eingrenzen des Polymers, worin eine Ausdehnung des Polymers mechanische Arbeit erzeugt; und

Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das Polymer, wodurch eine Änderung der elektrischen Energie bewirkt, dass sich das Polymer ausdehnt und die mechanische Arbeit erzeugt.

18. Verfahren zur Erzeugung einer pH-Änderung in einer Umgebung, welches umfasst:

das Anordnen eines bioelastischen Polymers nach Anspruch 1 oder 2 in der Umgebung, worin zumindest ein Teil der Bioelastomer-Einheiten des bioelastischen Polymers zumindest einen Aminosäurerest mit einer Seitenkette enthält, die in der Lage ist, reversible Protonierung zu erfahren, und

das Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf die Umgebung, wodurch die Änderung der elektrischen Energie eine Änderung im pKa des Polymers und in der Umgebung eine daraus resultierende Änderung im pH bewirkt.

19. Vorrichtung zur Erzeugung von pH-Änderungen in einer Umgebung, die umfasst:

ein bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2; und

Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das Polymer, wodurch die Änderung der elektrischen Energie bewirkt, dass das Polymer eine Änderung im pKa erfährt und in der Umgebung eine pH-Änderung bewirkt.

20. Auf Elektrizität ansprechende bioelastische Polymer-Maschine vom Tt-Typ erster Ordnung, die ein auf Elektrizität ansprechendes Polymer nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.

21. Auf Elektrizität ansprechende bioelastische Polymer-Maschine vom Tt-Typ zweiter Ordnung, die ein bioelastisches Polymer nach Anspruch 6 umfasst.

22. Elektrochemische Vorrichtung zum Entsalzen von Meerwasser oder Brackwasser durch Umwandlung elektrischer Energie in chemische Arbeit, die umfasst:

a) ein Gehäuse, das ein Bioelastomer-Material enthält, das in der Lage ist, sich als Reaktion auf eine Änderung im Einwirken von elektrischer Energie zu strecken, wodurch Wasser mit verringertem Salzgehalt in das Bioelastomer-Material gelangen kann, während solvatisierte Salzionen im Wesentlichen daran gehindert werden, hineinzugelangen,

b) Mittel zum Herbeiführen einer Änderung im Einwirken von elektrischer Energie auf das bioelastische Polymer im Gehäuse,

c) Mittel zur Aufnahme des Meerwassers oder Brackwassers in das Gehäuse, Mittel zum Ableiten von konzentriertem Salzwasser aus dem Gehäuse sowie Mittel zum Ableiten von entsalztem Wasser aus dem Gehäuse;

worin das Bioelastomer-Material ein bioelastisches Polymer nach Anspruch 1 oder 2 ist, das in der Lage ist, sich durch eine durch elektrische Energie herbeigeführte Verschiebung des inversen Temperaturübergangs reversibel zusammenzuziehen und zu entspannen.