Modificerede biomaterialer samles selv på temperaturangivelser

Biomedicinske ingeniører fra Duke University har demonstreret en ny tilgang til fremstilling af selvsamlede biomaterialer, der er afhængig af proteinmodifikationer og temperatur. Den hybride tilgang giver forskere mulighed for at kontrollere selvsamling mere præcist, som kan vise sig nyttig til en række biomedicinske anvendelser fra lægemiddellevering til sårheling.

Undersøgelsen vises online den 19. marts i Naturkemi .

Biomaterialer har brede anvendelser på tværs af områderne vævsteknologi, regenerativ medicin og medicinafgivelse. Protein- og peptidbaserede materialer er attraktive til disse applikationer, fordi de er ikke-toksiske, biologisk nedbrydelige og har en veldefineret sammensætning. Men disse biomaterialer er begrænset til de 20 aminosyrer, der findes i naturen.

En strategi til at udvide den kemiske mangfoldighed af proteinbaserede materialer er post-translationel modifikation (PTM), et kraftfuldt sæt reaktioner, som naturen bruger til kemisk at transformere proteiner, efter at de er syntetiseret fra gener. PTM kan modificere specifikke aminosyrer i proteiner eller tilføje ikke-proteinstrukturer, såsom sukker og fedtsyrer.

"Naturen kombinerer forskellige kemiske alfabeter for at lave meget sofistikerede materialer, " sagde Ashutosh Chilkoti, formanden for BME-afdelingen hos Duke og den primære forfatter til papiret. "En måde det kan gøre dette på er ved at kombinere proteiners aminosyreordforråd med andre meget forskellige alfabeter - sukker og fedt er blot to eksempler på de mange hundrede af sådanne PTM'er. Som materialeforskere, vi har ikke udnyttet naturens metoder til at lave hybridmaterialer, og dette gav inspiration til denne forskning."

For at fremstille et sådant hybridmateriale med nyttige biomedicinske egenskaber, forskere i Chilkoti-laboratoriet fokuserede på at skabe en række lipidmodificerede polypeptider, også kaldet fedtsyre-modificerede elastin-lignende polypeptider, eller FAMEs.

Når et lipid fusioneres til en peptidsekvens, de forskellige fysiske egenskaber af lipidet og peptidet resulterer i dannelsen af ​​peptidamfifiler, eller PA'er. Typiske PA'er kan selv samles i forskellige strukturer som lange fibre, gør dem nyttige som stilladser til vævsteknologi. Imidlertid, dette sker spontant, og disse materialer kan ikke sprøjtes ind i kroppen, men skal i stedet implanteres.

Forskerholdet tilføjede et andet nyttigt biomateriale, elastin-lignende polypeptid (ELP), fordi det kan skifte fra en opløselig tilstand til en uopløselig tilstand, eller omvendt, afhængig af temperatur.

Ved at bruge tre komponenter - en lipid myristoylgruppe, en beta-sheet-dannende peptidsekvens, og et elastin-lignende polypeptid (ELP) - forskerne skabte et hybrid biomateriale, FAME polypeptidet, der ændrer sig fra molekyler, der flyder i opløsning til et fast materiale, blot ved at hæve temperaturen.

"Vedhæftning af lipider til kort sekvens af peptider, typisk 5-20 aminosyrer, har været undersøgt i mange år, men at kombinere store biopolymerer med lipider var ikke blevet undersøgt, " sagde Davoud Mozhdehi, en postdoc i Chilkoti-laboratoriet. "Det, der adskiller FAMEs fra PA'er, er tilstedeværelsen af ​​denne temperaturfølsomme biopolymer med meget længere længde, typisk 200-600 aminosyrer, i form af ELP."

"Den korte beta-ark-dannende peptidsekvens udgør kun omkring to procent af hele sekvensen, " sagde Mozhdehi. "Men det har en enorm indflydelse på selvsamlingsadfærden. Dette hybridmateriale bevarer ELP'ens termiske reaktionsevne og PA'ens hierarkiske selvsamling, skabe et unikt materiale med programmerbar adfærd."

"Ved at kombinere en PA med en ELP, vi får et molekyle, der kan gå fra væske til fast stof på få sekunder med en lille temperaturstigning", sagde Chilkoti. "Dette åbner op for nye applikationer inden for medicin, hvor disse materialer kan injiceres som en væske, der derefter ville blive til fast stof inde i kroppen."

Dette proof-of-concept bygger på tidligere forskning fra Chilkoti-laboratoriet, hvor forskerne udforskede nye måder at bruge enzymer til at syntetisere hybrid lipid-peptid-polymerfusioner mellem ELP'er og lipider ved hjælp af E. coli-bakterier.

"Andre havde tidligere fundet ud af, at man kan tage et specifikt enzym ud af komplekse eukaryote celler og få det til at fungere i E. coli, " sagde Kelli Luginbuhl, en forsker i Chilkoti-laboratoriet. "Normalt, dette enzym binder permanent en lipidgruppe til et protein, og vi var nysgerrige om vi kunne bruge enzymet til at lave lipid-biopolymer hybridmaterialer. Da Davoud Mozhdehi hørte om dette projekt, han havde en idé om at inkorporere en kort strukturstyrende peptidsekvens i blandingen."

Forskere ved Max Planck Institute for Polymer Research hjalp Duke-holdet ved at færdiggøre avanceret materialekarakterisering. "Efter at have hørt om de mange strukturer, der dannes af disse biofremstillede polymerer, vi var ret spændte på at deltage i dette samarbejdsprojekt for yderligere at belyse mekanismen for temperaturudløst hydrogel og aggregatdannelse i disse materialer, " sagde Max Planck-teamet i en erklæring. "Vores bidrag af temperaturafhængige, Atomkraftmikroskopi med høj opløsning og temperaturafhængig spektroskopi komplementerede arbejdet fra Duke-gruppen fint, og sammen var vi i stand til at dechifrere de molekylære transformationer, hvorved disse unikke biopolymerer danner hierarkiske materialer."

"Disse byggesten er kendt inden for området, og nu har vi vist, at kombinere dem ved at danne kovalente bindinger, resulterer i synergistiske egenskaber og selvsamling, " sagde Mozhdehi. "Vi håber at udvide denne metode til andre lipider og proteiner og udvikle nye værktøjer og materialer til biomedicinske applikationer."