Designing Silk-silke Protein legering materialer for Biomedical Applications

Summary

Blending er en effektiv måte å generere biomaterialer med et bredt spekter av egenskaper og kombinerte funksjoner. Ved å forutsi de molekylære interaksjoner mellom ulike naturlige silkeproteiner, kan nye silke-silke protein legering plattformer med fleksibel mekanisk feiltoleranse, elektriske respons, optisk transparens, kjemisk prosesserbarhet, nedbrytbarhet, eller termisk stabilitet utformes.

Abstract

Fibrøst proteiner vise forskjellige sekvenser og strukturer som har blitt brukt for ulike applikasjoner i biomedisinske områder som biosensorer, nanomedisin, vev gjenfødelse, og levering av legemidler. Designe materialer basert på molekylær skala interaksjoner mellom disse proteinene vil bidra til å generere nye multifunksjonelle protein legering biomaterialer med tunbare egenskaper. Slike legeringsmaterialsystemer gir også fordeler i forhold til tradisjonelle syntetiske polymerer på grunn av det materiale nedbrytbarhet, biokompatibilitet og tenability i kroppen. Denne artikkelen brukte protein blandinger av vill tussah silke (Antheraea pernyi) og innenlandsk Mulberry silke (Bombyx mori) som et eksempel for å gi nyttige protokoller om disse emnene, inkludert hvordan å forutsi protein-protein interaksjoner av beregningsmetoder, hvordan å produsere protein legering løsninger, hvordan du kontrollerer legering systemer av termisk analyse, og hvordan å dikte variable legering materialerinkludert optiske materialer med diffraksjonsgittere, elektriske materialer med kretser belegg, og farmasøytiske materialer for narkotika utgivelse og levering. Disse metodene kan gi viktig informasjon for å designe neste generasjons multifunksjonelle biomaterialer basert på ulike protein legeringer.

Introduction

Naturen har skapt strategier for å generere tunbare og multifunksjonelle biologiske matriser ved hjelp av et begrenset antall strukturelle proteiner. For eksempel er elastins og colla alltid brukt sammen in vivo til å gi de justerbare styrker og funksjoner som kreves for bestemte vev ^1,2. Nøkkelen til denne strategien er blandingen. Blending innebærer å blande proteiner med spesifikke forhold og er en teknologisk tilnærming for å generere enkle materielle systemer med fleksibel og varierte egenskaper ^3-5. Sammenlignet med syntetiske konstruksjonsstrategier ^6,7, kan også forbedre blandingsmateriale ensartethet og evnen til å behandle materialet på grunn av den enkle betjening ^8-16. Derfor designe multifunksjonelle, biokompatible protein legering materialer er et voksende område av medisinsk forskning. Denne teknologien vil også gi systematisk kunnskap om effekten av naturlig protein matriser på celler og vev fungerer både i vitro og in vivo ^10,17. Ved å optimalisere molekyl grensesnitt mellom forskjellige proteiner, kan protein-baserte legeringsmaterialer omfatter en rekke fysiske funksjoner, slik som termisk stabilitet ved forskjellige temperaturer, elastisitet til å støtte ulike vev, elektrisk følsomhet i variable organer, og optiske egenskaper for hornhinnevevet regenerering ^{3, 18-27.} Resultatet av disse studiene vil gi et nytt protein-materialer plattformen innen biomedisinsk forskning med direkte relevans til avstembare vev reparasjoner og sykdomsbehandlinger og videre føre til bionedbrytbare implantat enheter hvor deres nye terapeutiske og diagnostiske egenskaper kan tenkes ^3.

Mange naturlige strukturelle proteiner har kritiske fysiske og bioaktive egenskaper som kan utnyttes som kandidater til biomateriale matriser. Silks fra ulike ormen arter, keratin fra hår og ull, elastins og colla fra ulike vev, ogforskjellige planteproteiner er noen av de mest vanlige strukturelle proteiner som brukes for å utforme variable protein-baserte materialer (figur 1) ^18-27. Generelt, kan disse proteinene danner ulike molekylære sekundære konstruksjoner (f.eks beta ark for silke, eller sammenrullede sløyfer for keratin) på grunn av deres unike repetitive primære aminosyre sekvenser ^3,28-35. Disse funksjonene fremme dannelsen av selv montert makroskopiske strukturer med unike funksjoner på biologiske grensesnitt som ber deres nytte som en høyt skattet ressurs av biopolymer materialer. Her ble to typer av strukturelle proteiner brukes (protein A fra vill tussah silke og protein B fra tamme morbær silke som et eksempel) for å demonstrere de generelle protokoller for å produsere ulike proteiner legering biomaterialer. Protokollene demonstrert inkluderer del 1: protein interaksjons spådommer og simuleringer, del 2: produksjon av protein legering løsninger, og del 3: fabrikasjon av protein legeringsystemer og for optiske, elektriske, og farmasøytiske applikasjoner.

Figur 1. Råvarer av ulike strukturelle proteiner som ofte brukes i vårt laboratorium for å designe protein-baserte materialer, inkludert silke fra ulike ormen arter, keratin fra hår og ull, elastins fra ulike vev og ulike planteproteiner.

Protocol

1. Prediksjon av protein interaksjoner Bioinfomatics Analyse av proteinmolekyler Besøk National Center for Bioteknologi Information nettsted (www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/), og søke på protein navnene som vil bli benyttet for leger studien. Merk: For dette eksemplet ble to proteiner brukt: protein A, som er vill tussah silke fibroin, og protein B, som er den innenlandske morbær silke fibroin. For protein A, kan aminosyresekvensene finnes i "fibroin [Antheraea pernyi] GenBank: AAC32606.1&quot…

Representative Results

Typisk protein-protein interaksjoner (f.eks, mellom protein A og protein B) kan inneholde charge-charge (elektrostatisk) attraksjoner, hydrogenbinding formasjon, hydrofobe-hydrofile interaksjoner, så vel som dipol, oppløsningsmidlet, mot-ionet, og entropic effekter mellom den spesifikke domener av de to proteiner (figur 2) 3. Derfor, fundamentalt, kan vi forutsi effektene av disse interaksjonene med beregningsorientert simuleringer. <p class="jove_content" fo:keep-together.with…

Discussion

En av de mest kritiske prosedyrene i fremstilling "legering" protein-systemet er å verifisere blandbarhet for de blandede proteiner. Ellers er det bare en ikke-blandbar blanding protein eller protein sammensatt system uten stabile og avstembare egenskaper. En eksperimentell termisk analysemetode kan brukes for dette formål og for å bekrefte deres legeringsegenskaper. Protein-protein interaksjoner kan vises i henhold til Flory-Huggins største gittermodell ⁴⁸ som interaksjoner mellom den "opp…

Materials

Q100 Differential Scanning Calorimeters (DSC)	TA Instruments, New Castle, DE, USA	N/A	You can use any type of DSC with a software to calculate the heat capacity
SS30T Vacuum Sputtering System	T-M Vacuum Products, Inc., Cinnaminson, NJ, USA	N/A	With custom built parts; You can use any type of sputtering system to coat
VWR 1415M Vacuum Oven	VWR International, Bridgeport, NJ, USA	N/A	You can use any type of vacuum oven to physically crosslink the samples