El diseño de proteínas de seda-seda aleaciones para aplicaciones biomédicas
Summary
La mezcla es un enfoque eficaz para generar biomateriales con una amplia gama de propiedades y características combinadas. Al predecir las interacciones moleculares entre las diferentes proteínas de la seda natural, nuevas plataformas de aleación de proteínas de seda de seda con la resistencia mecánica sintonizable, respuesta eléctrica, transparencia óptica, procesamiento químico, biodegradabilidad, estabilidad térmica o se pueden diseñar.
Abstract
Las proteínas fibrosas muestran diferentes secuencias y estructuras que se han usado para diversas aplicaciones en los campos biomédicos, tales como biosensores, la nanomedicina, la regeneración de tejidos, y la administración de fármacos. Materiales basados en las interacciones a escala molecular entre estas proteínas Diseñar ayudará a generar nuevos biomateriales aleación proteína multifuncional con propiedades sintonizables. Tales sistemas de materiales de aleación también proporcionan ventajas en comparación con polímeros sintéticos tradicionales debido a la biodegradabilidad materiales, biocompatibilidad, y plausibilidad en el cuerpo. Este artículo utiliza las mezclas de proteínas de seda salvaje tussah (Antheraea pernyi) y seda de mora del interno (Bombyx mori) como ejemplo para proporcionar protocolos útiles con respecto a estos temas, entre ellos cómo predecir las interacciones proteína-proteína mediante métodos computacionales, cómo producir aleación de proteína soluciones, cómo verificar los sistemas de aleación por análisis térmico, y la forma de fabricar materiales de aleación de variablesincluyendo los materiales ópticos con rejillas de difracción, materiales eléctricos con circuitos, recubrimientos y materiales farmacéuticas para la liberación del fármaco y la entrega. Estos métodos pueden proporcionar información importante para el diseño de los biomateriales multifuncionales de última generación basado en diferentes aleaciones de proteínas.
Introduction
La naturaleza ha creado estrategias para generar matrices biológicas sintonizables y multifuncionales utilizando un número limitado de proteínas estructurales. Por ejemplo, elastins y colágenos siempre se usan juntos en vivo para proporcionar las ventajas y funciones ajustables requeridos para tejidos específicos 1,2. La clave de esta estrategia es la mezcla. Blending involucra proteínas mezclado con proporciones específicas y es un enfoque tecnológico para generar sistemas de materiales simples con sintonizable y variadas propiedades 3-5. En comparación con las estrategias de ingeniería sintéticos 6,7, la mezcla también puede mejorar la uniformidad de los materiales y la capacidad de procesar el material debido a la facilidad de operación 8-16. Por lo tanto, el diseño, aleaciones biocompatibles proteínas multifuncionales es un área emergente de la investigación médica. Esta tecnología también proporcionará un conocimiento sistemático del impacto de las matrices de proteínas naturales en las funciones celulares y de tejidos, tanto en vitro e in vivo 10,17. Mediante la optimización de las interfaces moleculares entre diferentes proteínas, materiales de aleación a base de proteínas pueden abarcar una gama de funciones físicas, tales como estabilidad térmica a diferentes temperaturas, elasticidad para apoyar diversos tejidos, sensibilidad eléctrica en los órganos variables, y las propiedades ópticas de la córnea para la regeneración del tejido 3, 18-27. El resultado de estos estudios proporcionará una nueva plataforma de proteína-materiales en el campo de la ciencia biomédica de importancia directa para las reparaciones de tejido sintonizables y tratamientos de la enfermedad y, además, llevar a los dispositivos de implantes biodegradables en sus nuevas funciones terapéuticas y de diagnóstico se puede prever 3.
Muchas proteínas estructurales naturales tienen propiedades físicas y bioactivos críticos que pueden ser explotadas como candidatos para las matrices de biomateriales. Sedas de diferentes especies de gusanos, queratinas de los pelos y lanas, elastins y colágenos de diferentes tejidos, ydiversas proteínas vegetales son algunas de las proteínas estructurales más comunes que se utilizan para el diseño de materiales a base de proteínas variables (Figura 1) 18-27. En general, estas proteínas pueden formar diferentes estructuras moleculares secundaria (por ejemplo, láminas beta para sedas, o enrollado de las bobinas para queratinas) debido a sus únicas secuencias de ácido repetitivas amino primarios 3,28-35. Estas características promueven la formación de estructuras macroscópicas auto-ensambladas con funciones únicas en las interfases biológicas que provocó su utilidad como un recurso preciado de materiales de biopolímero. Aquí, se utilizaron dos tipos de proteínas estructurales (proteína A de la seda tussah salvaje y la proteína B de la seda de morera domesticado como un ejemplo) para demostrar los protocolos generales de la producción de diversos biomateriales de aleación de proteína. Los protocolos demostrados incluyen parte 1: predicciones de interacción de proteínas y simulaciones, parte 2: la producción de soluciones de aleación de proteína, y parte 3: fabricación de aleación de proteínasistemas y para aplicaciones ópticas, eléctricas y farmacéuticas.
Figura 1. Las materias primas de diversas proteínas estructurales que se utilizan comúnmente en nuestro laboratorio para el diseño de materiales a base de proteínas, incluyendo las sedas de diferentes especies de gusanos, queratinas de los pelos y lanas, elastins de diferentes tejidos, y varias proteínas vegetales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uno de los procedimientos más importantes en la producción de "aleación" sistema de la proteína es verificar la miscibilidad de las proteínas mezcladas. De lo contrario, es sólo una mezcla de proteínas o proteína sistema compuesto inmiscible sin propiedades estables y sintonizables. Un método de análisis térmico experimental se puede utilizar para este fin y para confirmar sus propiedades de la aleación. Interacciones proteína-proteína pueden ser vistos de acuerdo con el modelo de Flory-Huggins c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a la Universidad de Rowan para el apoyo de esta investigación. XH también agradece al Dr. David L. Kaplan de la Universidad de Tufts y el NIH P41 Tissue Resource Center Ingeniería (TERC) para capacitaciones técnicas anteriores.
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 |
References
- Rosenbloom, J., et al. Extracellular matrix 4: The elastic fiber. FASEB J. 7, 1208-1218 (1993).
- Traub, W., et al. On the molecular structure of collagen. Nature. 221, 914-917 (1969).
- Hu, X., et al. Protein-Based Composite Materials. Materials Today. 15, 208-215 (2012).
- Hardy, J. G., Scheibel, T. R. Composite materials based on silk proteins. Progress in Polymer Science. 35, 1093-1115 (2010).
- Kidoaki, S., et al. Mesoscopic spatial designs of nano- and microfiber meshes for tissue-engineering matrix and scaffold based on newly devised multilayering and mixing electrospinning techniques. Biomaterials. 26, 37-46 (2005).
- Teng, W. B., et al. Recombinant silk-elastin like protein polymer displays elasticity comparable to elastin. Biomacromolecules. 10, 3028-3036 (2009).
- Foo, C. W. P., Kaplan, D. L. Genetic engineering of fibrous proteins, spider dragline, silk and collagen. Adv Drug Delivery Rev. 54, 1131-1143 (2002).
- Hu, X., et al. Charge-Tunable Autoclaved Silk-Tropoelastin Protein Alloys That Control Neuron Cell Responses. Adv. Funct. Mater. 23, 3875-3884 (2013).
- Hu, X., et al. Biomaterials derived from silk-tropoelastin protein systems. Biomaterials. 31, 8121-8131 (2010).
- Hu, X., et al. The influence of elasticity and surface roughness on myogenic and osteogenic-differentiation of cells on silk-elastin biomaterials. Biomaterials. 32, 8979-8989 (2011).
- Hu, X., et al. Biomaterials from ultrasonication-induced silk fibroin-hyaluronic acid hydrogels. Biomacromolecules. 11, 3178-3188 (2010).
- Gil, E. S., et al. Swelling behavior and morphological evolution of mixed gelatin/silk fibroin hydrogels. Biomacromolecules. 6, 3079-3087 (2005).
- Lu, Q., et al. Green process to prepare silk fibroin/gelatin biomaterial scaffolds. Macromol. Biosci. 10, 289-298 (2010).
- Lu, S., et al. Insoluble and flexible silk films containing glycerol. Biomacromolecules. 11, 143-150 (2010).
- Mandal, B. B., et al. Silk fibroin/polyacrylamide semi-interpenetrating network hydrogels for controlled drug release. Biomaterials. 30, 2826-2836 (2009).
- Yeo, I. S., et al. Collagen-based biomimetic nanofibrous scaffolds, preparation and characterization of collagen/silk fibroin bicomponent nanofibrous structures. Biomacromolecules. 9, 1106-1116 (2008).
- Holst, J., et al. Substrate elasticity provides mechanical signals for the expansion of hemopoietic stem and progenitor cells. Nat. Biotechnol. 28, 1123-1128 (2010).
- Omenetto, F. G., Kaplan, D. L. New Opportunities for an Ancient Material. Science. 329, 528-531 (2010).
- Qin, G., et al. Mechanism of resilin elasticity. Nature Communications. 3, 1003 (2012).
- Rockwood, D. N., et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nat. Protocols. 6, 1612-1631 (2011).
- Wise, S. G., et al. Engineered tropoelastin and elastin-based biomaterials. Adv Protein Chem Struct Biol. 78, 1-24 (2009).
- Amsden, J. J., et al. Rapid nanoimprinting of silk fibroin films for biophotonic applications. Adv. Mater. 22, 1746-1749 (2010).
- Lawrence, B. D., et al. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 30, 1299-1308 (2009).
- Kim, D. H., et al. Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics. Nat. Mater. 9, 511-517 (2010).
- Zhang, J., et al. Stabilization of vaccines and antibiotics in silk and eliminating the cold chain. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 11981-11986 (2012).
- Pritchard, E. M., et al. Effect of silk protein processing on drug delivery from silk films. Macromolecular Bioscience. 13, 311-320 (2013).
- Lammel, A. S., et al. Controlling silk fibroin particle features for drug delivery. Biomaterials. 31, 4583-4591 (2010).
- Urry, D. W. Physical chemistry of biological free energy transduction as demonstrated by elastic protein-based polymers. J Phys Chem B. 101, 11007-11028 (1997).
- Shao, Z., Vollrath, F. Materials: Surprising strength of silkworm silk. Nature. 418, 741-741 (2002).
- Jin, H. J., Kaplan, D. L. Mechanism of silk processing in insects and spiders. Nature. 424, 1057-1061 (2003).
- Hu, X., et al. Determining Beta-Sheet Crystallinity in Fibrous Proteins by Thermal Analysis and Infrared Spectroscopy. Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).
- Hu, X., et al. Dynamic Protein-Water Relationships during β-Sheet Formation. Macromolecules. 41, 3939-3948 (2008).
- Hu, X., et al. Microphase separation controlled beta-sheet crystallization kinetics in fibrous proteins. Macromolecules. 42, 2079-2087 (2009).
- Cebe, P., et al. Beating the Heat – Fast Scanning Melts Beta Sheet Crystals. Scientific Reports. 3, 1130 (2013).
- Pyda, M., et al. Heat Capacity of Silk Fibroin Based on the Vibrational Motion of Poly(amino acid)s in the Presence and Absence of Water. Macromolecules. 41, 4786-4793 (2008).
- Buxton, G. A., et al. A lattice spring model of heterogeneous materials with plasticity. Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 9, 485-497 (2001).
- Buxton, G. A., Balazs, A. C. Modeling the dynamic fracture of polymer blends processed under shear. Phys. Rev. B. 69, 054101 (2004).
- Kolmakov, G. V., et al. Harnessing labile bonds between nanogel particles to create self-healing materials. ACS Nano. 3, 885-892 (2009).
- Duki, S. F., et al. Modeling the nanoscratching of self-healing materials. J. Chem. Phys. 134, 084901 (2011).
- Bell, G. I. Models for the specific adhesion of cells to cells. Science. 200, 618-627 (1978).
- Bell, G. I., et al. Cell adhesion. Competition between nonspecific repulsion and specific bonding. Biophys. J. 45, 1051-1064 (1984).
- Wang, Q., et al. Effect of various dissolution systems on the molecular weight of regenerated silk fibroin. Biomacromolecules. 14, 285-289 (2013).
- Wray, L. S., et al. Effect of processing on silk-based biomaterials: reproducibility and biocompatibility. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 99, 89-101 (2011).
- Lawrence, B. D., et al. Silk film culture system for in vitro analysis and biomaterial design. J. Vis. Exp. (62), e3646 (2012).
- Hu, X., et al. Regulation of Silk Material Structure by Temperature-Controlled Water Vapor Annealing. Biomacromolecules. 12, 1686-1696 (2011).
- Yucel, T., et al. Vortex-induced injectable silk fibroin hydrogels. Biophys J. 97, 2044-2050 (2009).
- Yucel, T., et al. Non-equilibrium silk fibroin adhesives. J Struct Biol. 170, 406-412 (2010).
- Flory, P. J. . Principles of polymer chemistry. , (1953).
- Chen, H., et al. Thermal properties and phase transitions in blends of Nylon-6 with silk fibroin. J Therm Anal Calorim. 93, 201-206 (2008).
- Scabarozi, T. H., et al. Epitaxial growth and electrical-transport properties of Ti7Si2C5 thin films synthesized by reactive sputter deposition. Scripta Materialia. 65, 811-814 (2011).
- Tao, H., et al. Silk materials-a road to sustainable high technology. Adv Mater. 24, 2824-2837 (2012).
- Annabi, N., et al. Cross-linked open-pore elastic hydrogels based on tropoelastin, elastin and high pressure CO2. Biomaterials. 31, 1655-1665 (2010).
- Moll, R., et al. The human keratins: biology and pathology. Histochem Cell Biol. 129, 705-733 (2008).
