Fusion proteins as innovative hair cosmetic products

Abstract

Hair has an unquestionable importance in body image and in today's society. It is a complex system made up mostly of keratins. With the increasing demand for new hair care products, the cosmetic industry has focused on finding new alternatives to the chemical formulations currently used. Protein and protein-based formulations are seen as excellent alternatives. Among proteins, fusion proteins aroused particular interest and have recently been explored in the development of hair care cosmetic formulations. Protein expression is an essential step in the development of protein-based formulations. In this work, seven proteins based on the XZX protein (XZX–1, XZX–2, XZX–3, XZX–4, XZX–5, XZX–6 and XZX–7) were explored as new cosmetic agents. For the expression of XZX proteins (1 to 6) five culture conditions were tested. For the expression of XZX–7 protein, a screening was performed to determine the best commercial culture medium. Using DesignExpert® software, three optimizations were performed to find the best mixture of culture medium (commercial media, industrial by-products and additives) and the best pH and temperature conditions to express the XZX–7 protein. This protein was produced using the conditions previously optimized and characterized. The ability of XZX–7 to bind to virgin Asian hair and its potential for curling was evaluated. XZX proteins (2 to 6) were expressed in LB medium + IPTG for 24 hours at 37°C. However, an optimization of expressing conditions or a change in the expression host is necessary, in order to make the production of these proteins a process economical viable. After optimizing the culture medium and growth conditions determined by the experimental design, it was determined that the conditions for maximizing the expression of XZX-7 protein were: 10 g/L TB-AIM, 30g/L CSL, 0.934 g/ L NaCl, pH 7, 37°C. With this optimization, the protein yield for an OD600 = 0.1 was doubled from 0.0012 mg for the commercial TB-AIM medium to 0.0025 mg for the optimized medium. The XZX-7 protein demonstrated the ability to bind to Asian hair with a binding percentage of 17.15% in water and 33.03% in an ethanolic formulation. Regarding the curling capacity of XZX-7, the condition of 20 mg/mL in an ethanolic formulation with urea pre-treatment demonstrated the best curling efficiency after six shampoo washes.

O cabelo tem uma importância indiscutível na imagem corporal e na sociedade atual. É um sistema complexo composto maioritariamente por queratinas. Com a crescente procura por novos produtos capilares, a indústria cosmética tem-se focado na procura de novas alternativas às formulações químicas atualmente utilizadas. Proteínas e formulações à base de proteínas são vistas como excelentes alternativas. De entre as proteínas, as proteínas de fusão têm despertado particular interesse tendo sido recentemente exploradas no desenvolvimento de formulações cosméticas capilares. A expressão de proteínas é uma etapa essencial no desenvolvimento de formulações de base proteica. Neste trabalho foram exploradas sete proteínas baseadas na proteína XZX (XZX–1, XZX–2, XZX–3, XZX–4, XZX–5, XZX–6 e XZX–7) como novos agentes cosméticos. Para a expressão das proteínas XZX (1 a 6) foram testadas cinco condições de cultura. Para a expressão da proteína XZX–7 foi realizada uma pré-seleção, para determinar o melhor meio de cultura comercial. E usando o software DesignExpert® foram realizadas três otimizações para encontrar a melhor mistura do meio de cultura (comercial, subprodutos industriais e aditivos) e as melhores condições de pH e temperatura para expressar a proteína XZX–7. Esta proteína foi produzida usando as condições previamente otimizadas e caracterizada. A capacidade da XZX–7 de se ligar a cabelo Asiático virgem e o seu potencial para o encaracolar foi avaliada. As proteínas XZX (2 a 6) foram expressas em meio LB + IPTG durante 24 horas a 37 °C. No entanto é necessária uma otimização das condições de expressão ou uma mudança do hospedeiro de expressão, a fim de tornar a produção destas proteínas um processo com viabilidade económica. Após otimização do meio de cultura e das condições de crescimento determinadas pelo desenho experimental, determinou-se que as condições para maximizar a expressão da proteína XZX–7 eram: 10 g/L TB-AIM, 30g/L CSL, 0.934 g/L NaCl, pH 7, 37 ºC. Com esta otimização foi duplicado o rendimento de proteína para uma DO600 = 0,1 de 0,0012 mg para o meio comercial TB-AIM para 0,0025 mg para o meio otimizado. A proteína XZX–7 demonstrou capacidade de se ligar ao cabelo asiático com uma percentagem de ligação de 17,15% em água e de 33,03% numa formulação etanólica. Em relação à capacidade de encaracolamento da XZX–7, a condição de 20 mg/mL em formulação etanólica com pré-tratamento com ureia demonstrou a melhor eficiência de encaracolamento após seis lavagens com champô.