עיצוב פרוטאין משי משי חומרי סגסוגת עבור יישומים ביו
Summary
מיזוג הוא גישה יעילה ליצירת חומרים ביולוגיים עם מגוון רחב של מאפיינים ותכונות משולבות. על ידי חיזוי האינטראקציות מולקולריות בין חלבוני משי טבעי השונים, פלטפורמות סגסוגת חלבון חדשות משי משי עם גמישות מתכונן מכאנית, תגובה חשמלית, שקיפות אופטית, processability הכימי, פריקות ביולוגית, או יציבות תרמית יכולות להיות מתוכננות.
Abstract
חלבונים סיביים להציג רצפים ומבנים שונים שהיה בשימוש עבור יישומים שונים בתחומים ביו כגון חיישנים ביולוגיים, nanomedicine, התחדשות רקמות, ואספקת סמים. עיצוב חומרים המבוססים על האינטראקציות מולקולרית בקנה המידה בין חלבונים אלה יעזרו ליצור חומרים ביולוגיים סגסוגת חלבון רב תכליתי חדשים עם תכונות מתכונן. מערכות חומר סגסוגת כאלה מספקות גם יתרונות בהשוואה לפולימרים סינטטיים מסורתיים בשל פריקות ביולוגית חומרים, התאמה הביולוגית, וtenability בגוף. מאמר זה משמש תערובות חלבון משי פראי tussah (pernyi Antheraea) ומשי תות הביתי (Bombyx mori) כדוגמא לספק פרוטוקולים שימושיים בנושאים אלה, ובכלל זה כיצד לחזות אינטראקציות בין חלבונים על ידי שיטות חישוביות, איך לייצר סגסוגת חלבון פתרונות, כיצד לאמת מערכות סגסוגת על ידי ניתוח תרמי, ואיך להמציא חומרי סגסוגת משתניםכולל חומרים אופטיים עם gratings העקיפה, חומרים חשמליים עם מעגלי ציפויים, וחומרי תרופות לשחרור תרופה ומשלוח. שיטות אלה יכולים לספק מידע חשוב לעיצוב חומרים הביולוגיים רב תכליתיים הדור הבא המבוסס על סגסוגות חלבון שונה.
Introduction
טבע יצר אסטרטגיות ליצירת מטריצות ביולוגיות מתכונן ורבות תכליתיים באמצעות מספר מוגבל של חלבונים מבניים. לדוגמא, elastins וcollagens משמשים תמיד ביחד in vivo כדי לספק את נקודות החוזק מתכווננת ופונקציות הנדרשות לרקמות ספציפיות 1,2. המפתח לאסטרטגיה זו הוא המיזוג. מיזוג כרוך חלבוני ערבוב עם יחסים ספציפיים והוא גישה טכנולוגית כדי ליצור מערכות חומר פשוטות עם מתכונן ותכונות מגוונות 3-5. בהשוואה לאסטרטגיות הנדסה סינתטיות 6,7, מיזוג יכול גם לשפר את אחידות חומר ואת היכולת לעבד את החומר בשל קלות התפעול 8-16. לכן, עיצוב חומרים רב תכליתיים, ביולוגית סגסוגת חלבון הוא אזור מתפתח של מחקר רפואי. טכנולוגיה זו תספק גם ידע שיטתי של ההשפעה של מטריצות חלבון טבעיות בפונקציות תא ורקמה הן בvitro וin vivo 10,17. על ידי אופטימיזציה של ממשקים מולקולריים בין חלבונים שונים, חומרי סגסוגת המבוסס על חלבונים יכולים להכיל מגוון של פונקציות פיזיות, כגון יציבות תרמית בטמפרטורות שונות, גמישות לתמיכה ברקמות שונות, רגישות חשמלית באיברים משתנים, ותכונות אופטיות להתחדשות רקמת קרנית 3, 18-27. התוצאה של מחקרים אלה תספק פלטפורמת חלבון חומרים חדשה בתחום של המדע ביו עם רלוונטיות ישירות לתיקונים מתכונן רקמות וטיפולים למחלות ועוד להוביל להתקני שתל מתכלים שבם ניתן חזו התכונות הטיפוליות ואבחון הרומן שלהם 3.
יש לי חלבונים מבניים טבעיים רבים מאפיינים פיזיים וביו קריטיים שיכול להיות מנוצלים כמועמדים למטריצות ביולוגי. משי ממינים שונים של תולעים, keratins משערות וחוטי צמר, elastins וcollagens מרקמות שונות, וחלבונים צמחיים שונים הם חלק מהחלבונים המבניים השכיחים ביותר המשמשים לעיצוב חומרים המבוססים על חלבונים משתנים (איור 1) 18-27. באופן כללי, חלבונים אלה יכולים ליצור מבנים שונים מולקולריים משניים (למשל, יריעות בטא למשי, או סלילים מפותלים לkeratins) בשל רצפים הייחודיים שלהם חוזר על עצמו אמינו העיקרי חומצה 3,28-35. תכונות אלה לקדם את הקמתה של מבנים מקרוסקופיים עצמיים התאספו עם פונקציות ייחודיות בממשקים ביולוגיים שגרמו השירות שלהם כמשאב יקר של חומרי biopolymer. הנה, שני סוגים של חלבונים מבניים שמשו (חלבון משי tussah פראי וחלבון B ממשי תות מבוית כדוגמא) כדי להדגים את הפרוטוקולים הכלליים של ייצור חומרים ביולוגיים סגסוגת חלבון שונים. הפרוטוקולים הראו כוללים חלק 1: תחזיות אינטראקציה חלבון וסימולציות, חלק 2: ייצור של פתרונות סגסוגת חלבון, וחלק 3: ייצור של סגסוגת חלבוןמערכות ויישומים אופטיים, חשמל, ותרופות.
איור 1 חומרי גלם של חלבונים מבניים שונים הנמצא בשימוש נפוץ במעבדה שלנו לעיצוב חומרים המבוססים על חלבונים, כוללים בדי משי ממינים שונים של תולעים, keratins משערות וחוטי צמר, elastins מרקמות שונות, וחלבונים צמחיים שונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד מההליכים הקריטיים ביותר בייצור מערכת "סגסוגת" חלבון הוא לוודא miscibility של החלבונים מעורבבים. אחרת, זה מערכת רק immiscible תערובת חלבונים או חלבון מרוכב ללא נכסים יציבים ומתכוננים. שיטת ניתוח תרמית ניסיוני יכולה לשמש למטרה זו וכדי לאשר תכונות הסגסוגת שבם. ניתן לצפות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים אוניברסיטת רואן לתמיכה של מחקר זה. XH גם בזכות ד"ר דוד ל 'קפלן באוניברסיטת טאפטס ורקמות NIH P41 הנדסת מרכז משאבים (TERC) לאימונים טכניים קודמים.
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).
