Proteins are one of the fundamental building blocks of life as we know it. They are central to various biological processes and pivotal parts of essential procedures in the healthcare, food and sustainability industries. Over the past few years, significant research efforts have been made to employ bio-based strategies as alternative pathways to shift away from human dependency on petroleum-based polymers, placing protein as central building blocks for sustainable material development. In this framework, this thesis explores a specific class of material building blocks derived from the food we eat, referred to as protein nanofibrils (PNFs). Particular attention is paid to PNFs from soy protein isolate (SPI) and whey protein isolate (WPI) formed at low pH and high temperature, mirroring processes commonly found in food processing and cooking. The presented work focuses explicitly on how these fibrils assemble from acid hydrolysis of the initial food proteins into smaller aggregation-prone species, how aggregation occurs and how we can potentially process fibrils as valuable materials for society. 

A critical step in forming fibrils at low pH and high temperature is the heat-induced acid hydrolysis of protein chains into shorter peptides. The work first uses SPI as a model protein source to understand PNF formation. By determining the activation energy for SPI hydrolysis and comparing it with the lower activation energies for the aggregation processes of one of the peptide building blocks, BB2, we establish that hydrolysis is the with the highest energy of activation. Computer simulations are then employed to replicate the hydrolysis of proteins to model peptide production and degradation from rates of protein hydrolysis. With this, a connection between monomer production and fibrillation kinetics can be established. With this, numerical simulations of BB2 at 90 °C and pH two are then attempted, demonstrating that aggregation of this peptide alone does not replicate the fibrillation behaviour of SPI.

The thesis continues focusing on the fibrillation of food proteins and their potential safety for humans, now exploring how food fibrils affect the aggregation behaviour of Aβ42 aggregation, a hallmark of Alzheimer’s disease. The results show that seeds from food amyloids do not accelerate Aβ42 aggregation, with lysozyme- and oat-derived fibrils even delaying the aggregation of Aβ42. Further kinetic analysis reveals that aggregation inhibition is likely due to interactions between Aβ42 aggregates and food-derived fibrils, likely affecting the pathway for secondary nucleation in Aβ42 assembly. 

In contrast, seeding accelerates fibrillation in WPI, leading to the formation of longer fibrils that can reach the percolation threshold necessary for gelation and material formation. However, the results also indicate that percolation theories might need to be refined to better frame and predict the behaviour of PNFs and how they interact to form macromolecular structures.

Finally, the usage of food-derived WPI fibrils in material applications is also investigated. Fibril-based aerogels exhibit distinctive microstructural differences from aerogels without fibrils and enhanced pollutant adsorption capabilities, represented using the model molecule ibuprofen. Additionally, preliminary results show that fibrillar hydrogels can be used as electrolyte matrices for energy storage, displaying a broad operational potential window and excellent rate performance. 

Combined, the results provide important insights regarding the formation of fibrils at low pH and high temperature, their potential non-hazardous nature for human consumption, and their application in areas such as water purification and energy storage.

Proteiner är några av de fundamentala byggstenarna för livet som vi känner det, centrala inte bara för variation av biologiska processer men även som avgörande delar av viktiga procedurer inom hälso-, livsmedels- och hållbarhetsindustrier. De senaste åren har stora forskningsinsatser genomförts för att använda bio-baserade strategier som alternativa vägar för att minska det mänskliga beroendet i petroleumbaserade polymerer, och istället placera proteiner som centrala byggstenar för hållbar materialutveckling. Denna avhandling  utforskar, enligt detta ramverk, en specifik klass av materielbyggstenar som härstammar från maten vi äter, även kända som protein-nanofibriller (PNF). Särskild uppmärksamhet riktas mot PNF:er från sojaproteinisolat (SPI) och vassleproteinisolat (WPI) bildade vid lågt pH-värde och hög temperatur, vilket speglar vanligt förekommande processer vid livsmedelsbearbetning och matlagning. Det presenterade arbetet fokuserar specifikt på hur dessa fibriler sammansätts genom hydrolys under sura förhållanden ur de initiala livsmedelsproteinerna till små aggregeringssbenägna peptider, hur aggreggation sker samt hur vi potentiellt skulle kunna bereda fibriller som användbara material ute i samhället.

Ett kritiskt steg i formandet av fibriller vid lågt pH-värde och hög temperatur är den värmeinducerade sura hydrolysen av proteinkedjor till kortare peptider. SPI används som en modellproteinkälla för att förstå PNF-formering. Genom att fastställa aktiveringsenergin för SPI-hydrolys och jämföra den med de lägre aktiveringsenergierna för aggregationsprocesserna för en av peptidbyggstenarna, BB2, kan det fastslås att hydrolysen är processen med den högsta aktiveringsenergin. Datorsimulationer genomförs sedan för att reproducera hydrolysen av proteiner till modellpeptidproduktion och nedbrytning från olika hastigheter av proteinhydrolys. Därmed kan en koppling mellan monomerproduktion och fibrillationskinetik etableras. Med detta görs ett försök med numersiska simulationer av BB2 vid 90 °C och pH-värde 2, som demonstrerar att aggregation av endast en peptid inte reproducerar SPI:s fibrillationsbetéende.

Avhandlingen fortsätter att fokusera på fibrillering av livsmedelsproteiner och deras potentiella säkerhet för människor, och utforskar nu hur livsmedelsfibriller påverkar aggregeringsbeteéendet i Aβ42-aggregering, ett kännetecken för Alzheimers sjukdom. Resultaten visar att frön från livsmedelsamyloider inte accelererar Aβ42-aggregering, och att fibriller från lysozym och havreprotein till och med försenar aggregeringen av Aβ42. Ytterligare kinetisk analys avslöjar att aggregationshämning sannolikt beror på interaktioner mellan Aβ42-aggregat och fibriller som härrör från livsmedel, vilket troligen påverkar vägen för sekundär kärnbildning i Aβ42-sammansättningen.

Däremot accelererar sådd fibrillering i WPI, vilket också leder till bildandet av längre fibriller som kan nå den perkolationströskel som krävs för gelbildning och materialbildning. Resultaten indikerar dock att  perkolationsteorier kan behöva förfinas för att bättre rama in och förutsäga beteendet hos PNF och hur de interagerar för att bilda makromolekylära strukturer.

Slutligen utforskas även användandet av livsmedelshärledda WPI-fibriller i materialapplikationer. Fibrilbaserade aerogeler uppvisar distinkta mikrostrukturella skillnader jämfört med aerogeler utan fibriller och förbättrad adsorptionsförmåga för föroreningar, representerad här genom att använda modellmolekylen ibuprofen. Dessutom visar preliminära resultat också att fibrillära hydrogeler kan användas som elektrolytmatriser för energilagring, och påvisar ett brett operativt potentialfönster och utmärkt hastighetsprestanda.

Sammantaget ger resultaten en viktig insyn gällande bildning av fibriller vid lågt pH-värde och hög temperatur, deras säkerhet för mänskliga konsumtion, och deras tillämpning inom områden såsom vattenrening och energilagring. 

Proteínas são moléculas orgânicas essenciais à vida e elementos centrais em inúmeros processos biológicos e industriais. Nos últimos anos, têm sido realizados esforços significativos no âmbito da investigação e desenvolvimento de estratégias para reduzir a dependência humana de polímeros à base de petróleo. Assim sendo, proteínas surgem como blocos de construção centrais para o desenvolvimento de materiais sustentáveis. Neste sentido, a presente tese de doutoramento tem como foco principal explorar a formação e utilização de proteínas nanofibrilares (PNFs), também designados de amilóides artificiais, como unidades de construção de nanomateriais. Especificamente, a tese explora a formação de PNFs a partir da hidrólise de proteínas alimentares. Neste caso, a formação de PNFs é precedida pela hidrólise das proteínas na sua forma nativa que, em termos simples, "corta" as proteínas em segmentos mais pequenos, designados de péptidos. Do vasto número de péptidos formados durante a hidrólise de proteínas, uma parte terá propensão para posteriormente se agregarem e formarem PNFs. Estas podem ter várias aplicações práticas, tais como o desenvolvimento de biomateriais para a sociedade e com utilidade pública. 

A pesquisa examina, particularmente, PNFs feitas a partir de isolado de proteína de soja (SPI) e isolado de proteína de soro de leite, também conhecido como whey protein (WPI). Estas PNFs são formadas em condições de pH baixo e alta temperatura. Tal estratégia é bastante comum no processamento de produtos nas indústrias alimentares e farmacêuticas. Inicialmente, esta tese explora a utilização de SPI como proteína-modelo para investigar a formação de PNFs. Ao determinar a energia de ativação relacionada com a hidrólise ácida de SPI, usando a lei de Arrhenius, comparando-a com as energias de ativação referentes aos processos de agregação de um dos blocos de construção peptídicos das fibras da soja, BB2, é estabelecido que a hidrólise é o processo que requer maior energia. Assim sendo, são utilizadas simulações computacionais para replicar a hidrólise das proteínas, modelando a produção e degradação de péptidos a partir das velocidades de hidrólise proteica determinadas para várias temperaturas. Desta forma, é possível estabelecer uma ligação entre a produção de monómeros e os microprocessos de fibrilação. Posteriormente, simulações numéricas do péptido BB2 a 90 °C e pH 2 são realizadas, demonstrando que a agregação deste péptido isoladamente não replica o comportamento de fibrilação do SPI.

A tese prossegue com uma análise detalhada dos processos de fibrilação de proteínas, com especial foco na segurança e potenciais perigos do uso de PNFs para consumo humano, focando-se em como várias fibrilas de origem alimentar afetam o comportamento de agregação de Aβ42, um péptido marcador da doença de Alzheimer. Os resultados demostram que fibrilas alimentares não aceleram a agregação da Aβ42, e fibrilas derivadas da lisozima e da aveia retardam até a agregação de Aβ42. Análises adicionais dos processos cinéticos da agregação revelam que esta inibição é, provavelmente, devida a interações entre agregados de Aβ42 e fibrilas derivadas de alimentos, afetando possivelmente a via de nucleação secundária durante à fibrilização da Aβ42. Em contraste, as fibrilas de WPI autocatalisam e aceleram a fibrilação do próprio WPI, levando à formação de fibrilas mais longas que formam géis. Estes resultados revelam que um aumento da velocidade associada ao processo de alongamento de fibras é responsável por gerar PNFs mais longas, mas que a teoria de coloides tem de ser refinada para melhor enquadrar e prever o comportamento de PNFs e a forma como elas interagem para formar estruturas macromoleculares.

Finalmente, é também investigada a utilização de fibrilas derivadas de WPI em aplicações materiais. Aerogéis baseados em fibrilas exibem diferenças microestruturais distintivas em comparação com aerogéis sem fibrilas e capacidades aprimoradas de adsorção de poluentes, representadas usando a molécula modelo ibuprofeno. Adicionalmente, resultados preliminares mostram que hidrogéis fibrilares podem ser usados como matrizes eletrolíticas para armazenamento de energia, exibindo um intervalo operacional de potential amplo e uma e excelente desempenho de taxa. 

Desta forma, estes resultados fornecem informações insights importantes acerca da a formação de fibrilas em baixo pH e alta temperatura; a sua potencial segurança para o consumo humano; e, a sua aplicação em áreas como purificação de água e armazenamento de energia.