Biomedicinska ingenjörer från Duke University har visat ett nytt tillvägagångssätt för att göra självmonterade biomaterial som är beroende av proteinmodifieringar och temperatur. Hybridmetoden gör att forskare kan styra självmontering mer exakt, vilket kan vara användbart för en mängd olika biomedicinska tillämpningar från läkemedelsleverans till sårläkning.

Forskningen visas online den 19 mars i Naturkemi .

Biomaterial har breda tillämpningar inom vävnadsteknik, regenerativ medicin och läkemedelsleverans. Protein- och peptidbaserade material är attraktiva för dessa applikationer eftersom de är giftfria, biologiskt nedbrytbart och har en väldefinierad komposition. Men dessa biomaterial är begränsade till de 20 aminosyror som finns i naturen.

En strategi för att utöka den kemiska mångfalden av proteinbaserade material är post-translationell modifiering (PTM), en kraftfull uppsättning reaktioner som naturen använder för att kemiskt transformera proteiner efter att de har syntetiserats från gener. PTM kan modifiera specifika aminosyror i proteiner eller lägga till icke-proteinstrukturer, såsom socker och fettsyror.

"Naturen kombinerar olika kemiska alfabet för att göra mycket sofistikerade material, "sa Ashutosh Chilkoti, ordförande för BME -avdelningen vid Duke och huvudförfattare till tidningen. "Ett sätt det gör detta är genom att kombinera aminosyrans ordförråd för proteiner med andra mycket olika alfabet - socker och fett är bara två exempel på de många hundratals sådana PTM. Som materialvetare, vi har inte utnyttjat naturens metoder för att tillverka hybridmaterial, och detta gav inspiration för denna forskning. "

För att göra ett sådant hybridmaterial med användbara biomedicinska egenskaper, forskare i Chilkoti-labbet fokuserade på att skapa en serie lipidmodifierade polypeptider, även kallad fettsyramodifierad elastinliknande polypeptider, eller FAMEs.

När en lipid är smält till en peptidsekvens, de olika fysikaliska egenskaperna hos lipiden och peptiden resulterar i bildandet av peptidamfifiler, eller PA. Typiska PA kan självmonteras till olika strukturer som långa fibrer, gör dem användbara som byggnadsställningar för vävnadsteknik. Dock, detta händer spontant och dessa material kan inte injiceras i kroppen utan måste istället implanteras.

Forskargruppen lade till ytterligare ett användbart biomaterial, elastinliknande polypeptid (ELP), eftersom det kan förändras från ett lösligt tillstånd till ett olösligt tillstånd, eller tvärtom, beroende på temperatur.

Med hjälp av tre komponenter - en lipidmyristoylgrupp, en beta-arkbildande peptidsekvens, och en elastinliknande polypeptid (ELP)-forskarna skapade ett hybridbiomaterial, FAME -polypeptiden, som förändras från molekyler som flyter i lösning till ett fast material, helt enkelt genom att höja temperaturen.

"Fästning av lipider till kort sekvens av peptider, typiskt 5-20 aminosyror, har undersökts i många år, men att kombinera stora biopolymerer med lipider hade inte undersökts, "sa Davoud Mozhdehi, en postdoktor i Chilkoti -labbet. "Det som skiljer FAME från PA är närvaron av denna temperaturkänsliga biopolymer med mycket längre längd, typiskt 200-600 aminosyror, i form av ELP. "

"Den korta beta-arkbildande peptidsekvensen utgör bara cirka två procent av hela sekvensen, "Sade Mozhdehi." Men det har en enorm inverkan på självmonteringsbeteendet. Detta hybridmaterial behåller ELP:s värmekänslighet och PA:s hierarkiska självmontering, skapa ett unikt material med programmerbart beteende. "

"Genom att kombinera en PA med en ELP, vi får en molekyl som kan gå från flytande till fast inom några sekunder med en liten temperaturökning ", sa Chilkoti. "Detta öppnar nya applikationer inom medicin, där ett av dessa material kan injiceras som en vätska som sedan skulle förvandlas till fast inuti kroppen. "

Detta proof-of-concept bygger på tidigare forskning från Chilkoti-labbet, där forskare undersökte nya sätt att använda enzymer för att syntetisera hybridlipid-peptidpolymerfusioner mellan ELP och lipider med hjälp av E. coli-bakterier.

"Andra hade tidigare funnit att du kan ta ett specifikt enzym ur komplexa eukaryota celler och få det att fungera i E. coli, "sa Kelli Luginbuhl, en forskare i Chilkoti -labbet. "I vanliga fall, detta enzym fäster permanent en lipidgrupp till ett protein, och vi var nyfikna på om vi kunde använda enzymet för att tillverka lipid-biopolymerhybridmaterial. När Davoud Mozhdehi fick höra om detta projekt, han hade en idé att införliva en kort strukturerande peptidsekvens i blandningen. "

Forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research hjälpte Duke -teamet genom att slutföra avancerad materialkarakterisering. "Efter att ha hört talas om de flera strukturer som bildas av dessa biotillverkade polymerer, vi var ganska glada över att delta i detta samarbetsprojekt för att ytterligare belysa mekanismen för temperaturutlöst hydrogel och aggregatbildning i dessa material, "sa Max Planck-teamet i ett uttalande." Vårt bidrag av temperaturberoende, högupplöst atomkraftmikroskopi och temperaturberoende spektroskopi kompletterade fint arbetet från Duke-gruppen, och tillsammans kunde vi dechiffrera de molekylära transformationer genom vilka dessa unika biopolymerer bildar hierarkiska material. "

"Dessa byggstenar är kända på fältet och nu har vi visat att kombinera dem genom att bilda kovalenta bindningar, resulterar i synergistiska egenskaper och självmontering, "Mozhdehi sa." Vi hoppas kunna utöka denna metod till andra lipider och proteiner och utveckla nya verktyg och material för de biomedicinska tillämpningarna. "