Designing Silke-silkeprotein legering materialer til biomedicinske anvendelser

Summary

Blending er en effektiv metode til at generere biomaterialer med en bred vifte af egenskaber og kombinerede funktioner. Ved at forudsige de molekylære vekselvirkninger mellem forskellige naturlige silkeproteiner kan nye silke-silke protein legering platforme med indstillelig mekanisk elasticitet, elektriske reaktion, optisk transparens, kemisk bearbejdelighed bionedbrydelighed eller termisk stabilitet udformes.

Abstract

Fibrøse proteiner vist forskellige sekvenser og strukturer, der er blevet anvendt til forskellige anvendelser i biomedicinske områder såsom biosensorer, nanomedicin, vævsregenerering og drug delivery. Design materialer baseret på molekylær skala interaktioner mellem disse proteiner vil hjælpe generere nye multifunktionelle protein legering biomaterialer med justerbare egenskaber. Sådanne legeret materiale systemer også give fordele i forhold til traditionelle syntetiske polymerer på grund af materialer bionedbrydelighed, bioforligelighed og tenability i kroppen. Denne artikel anvendes protein blandinger af vilde tussahsilke (Antheraea pernyi) og indenlandske morbær silke (Bombyx mori) som et eksempel for at give nyttige protokoller vedrørende disse emner, herunder hvordan at forudsige protein-protein interaktioner ved beregningsmetoder, hvordan man producerer proteiner legering løsninger, hvordan man kan kontrollere legeret systemer ved termisk analyse, og hvordan man kan fremstille variable legering materialerherunder optiske materialer med diffraktionsgitre, elektriske materialer med kredsløb belægninger, og farmaceutiske materialer til narkotika frigivelse og levering. Disse metoder kan give vigtige oplysninger til at designe den næste generation multifunktionelle biomaterialer baseret på forskellige protein legeringer.

Introduction

Naturen har skabt strategier til at generere afstemmelige og multifunktionelle biologiske matricer ved hjælp af et begrænset antal af strukturelle proteiner. For eksempel er elastiner og collagener altid anvendes sammen in vivo til at give de justerbare styrker og funktioner, der kræves til specifikke væv ^1,2. Nøglen til denne strategi er at blande. Blanding involverer blanding proteiner med specifikke forhold og er en teknologisk metode til at generere simple materielle systemer med justerbar og varieret egenskaber ^3-5. Sammenlignet med syntetiske engineering strategier ^6,7, kan blanding også forbedre materiale ensartethed og evnen til at behandle materialet på grund af den nemme betjening ^8-16. Derfor designe multifunktionelle, biokompatible protein legering materialer er et nyt område for medicinsk forskning. Denne teknologi vil også give systematisk viden om virkningerne af naturlige protein matricer på celler og væv fungerer både i vitro-og in vivo ^10,17. Ved at optimere molekylære grænseflader mellem forskellige proteiner, kan protein-baserede legering materialer omfatter en række fysiske funktioner, såsom termisk stabilitet ved forskellige temperaturer, elasticitet til at understøtte forskellige væv, elektrisk følsomhed i variable organer og optiske egenskaber for hornhindevæv regenerering ^{3, 18-27.} Resultatet af disse undersøgelser vil give et nyt protein-materialer platform inden for biomedicinsk videnskab med direkte relevans for afstemmelige væv reparationer og sygdomsbehandlinger samt yderligere føre til bionedbrydelige implantatanordninger hvor deres nye terapeutiske og diagnostiske funktioner kan forestillede sig ^3.

Mange naturlige strukturelle proteiner har kritiske fysiske og bioaktive egenskaber, der kan udnyttes som kandidater til de biomaterielle matricer. Silks fra forskellige ormen arter keratiner fra hår og uld, elastins og kollagener fra forskellige væv, ogforskellige vegetabilske proteiner er nogle af de mest almindelige strukturelle proteiner, der anvendes til at designe variable protein-baserede materialer (figur 1) ^18-27. I almindelighed kan disse proteiner danner forskellige molekylære sekundære strukturer (fx beta-sheets til silke, eller coiled spoler til keratiner) på grund af deres unikke gentagne primære aminosyresekvenser ^3,28-35. Disse funktioner fremme dannelsen af ​​selvsamlede makroskopiske strukturer med unikke funktioner på biologiske grænseflader der beder deres anvendelighed som en skattet ressource biopolymermaterialer. Her blev to typer af strukturelle proteiner der anvendes (protein A fra vild tussahsilke og protein B fra tamme morbær silke som et eksempel) at påvise de generelle protokoller fra produktion af forskellige protein-legering biomaterialer. Protokollerne demonstreret omfatter del 1: protein-interaktion forudsigelser og simuleringer, del 2: produktion af protein legering løsninger og del 3: fabrikation af protein legeringsystemer og for optiske, elektriske og farmaceutiske anvendelser.

Figur 1. Råvarer af forskellige strukturelle proteiner, der almindeligvis anvendes i vores laboratorium for at designe protein-baserede materialer, herunder silke fra forskellige ormen arter keratiner fra hår og uld, elastins fra forskellige væv, og forskellige vegetabilske proteiner.

Protocol

1. Forudsigelse af proteininteraktioner Bioinfomatics Analyse af proteinmolekyler Besøg National Center for Biotechnology Information hjemmeside (www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/), og søge i protein navne, der vil blive anvendt til legeringen undersøgelsen. Bemærk: I dette eksempel blev to proteiner anvendt: protein A, som er den vilde tussahsilke fibroin og protein B, som er den indenlandske brombær silkefibroin. For protein A, kan aminosyresekvenseme læses i "fibroin [Antheraea pernyi] GenB…

Representative Results

Typisk protein-protein interaktioner (f.eks mellem protein A og protein B) kan indeholde charge-charge (elektrostatisk) seværdigheder, hydrogenbinding dannelse, hydrofobe-hydrofile interaktioner, samt dipol, opløsningsmiddel, modion, og entropiske virkninger mellem den specifikke domæner af de to proteiner (figur 2) 3. Derfor fundamentalt, kan vi forudsige virkningerne af disse interaktioner med beregningsmæssige simuleringer. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-p…

Discussion

En af de mest kritiske procedurer producere "legering" protein er at kontrollere blandbarheden af ​​de blandede proteiner. Ellers er det kun en ikke-blandbar proteinblanding eller protein sammensat system uden stabile og afstemmelige egenskaber. En eksperimentel termisk analyse metode kan bruges til dette formål og til at bekræfte deres legering egenskaber. Protein-protein-interaktioner kan ses ifølge Flory-Huggins s gitter model ⁴⁸ vekselvirkninger mellem "opløsningsmiddel" (den d…

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