Biomedicinska ingenjörer från Duke University och Washington University i St. Louis har visat att genom att injicera ett artificiellt protein tillverkat av en lösning av ordnade och störda segment, en fast byggnadsställning bildas som svar på kroppsvärme, och på några veckor integreras sömlöst i vävnad.

Möjligheten att kombinera dessa segment till proteiner med unika egenskaper gör det möjligt för forskare att exakt kontrollera egenskaperna hos nya biomaterial för applikationer inom vävnadsteknik och regenerativ medicin.

Forskningen visas online den 15 oktober i tidskriften Naturmaterial .

Proteiner fungerar genom att vika, origami-liknande, och interagerar med specifika biomolekylära strukturer. Forskare trodde tidigare att proteiner behövde en fast form för att fungera, men under de senaste två decennierna har intresset för intrinsically disordered proteins (IDP) ökat. Till skillnad från deras välviktade motsvarigheter, IDP kan anta en uppsjö av olika strukturer. Dock, dessa strukturella preferenser är icke-slumpmässiga, och de senaste framstegen har visat att det finns väldefinierade regler som kopplar information i aminosyrasekvenserna hos interna personer till de strukturer som de kan anta.

Forskare har antagit att mångsidigheten i proteinfunktionen kan uppnås genom att sammanfoga välviktade proteiner med IDP-snarare som pärlhalsband. Denna mångsidighet är uppenbar i biologiska material som muskelfibrer och sidenfibrer, som är gjorda av proteiner som kombinerar ordnade och störda regioner, gör det möjligt för materialen att uppvisa egenskaper som gummis elasticitet och stålets mekaniska hållfasthet.

IDP är avgörande för mobilfunktionen, och många biomedicinska ingenjörer har koncentrerat sina ansträngningar på en extremt användbar IDP som kallas elastin. Ett mycket elastiskt protein som finns i hela kroppen, elastin tillåter blodkärl och organ - som huden, livmoder och lungor - för att återgå till sin ursprungliga form efter att ha sträckts eller pressats ihop. Dock, att skapa elastin utanför kroppen visade sig vara en utmaning.

Så forskarna bestämde sig för att ta en reduktionistisk ingenjörsstrategi för problemet.

"Vi var nyfikna på att se vilka typer av material vi kunde göra genom att lägga ordning på ett annars mycket stört protein, "sa Stefan Roberts, en doktorsexamen student i Chilkoti -labbet och första författare på pappret.

På grund av utmaningarna med att använda elastin själv, forskargruppen arbetade med elastinliknande polypeptider (ELP), som är helt störda proteiner gjorda för att efterlikna bitar av elastin. ELP är användbara biomaterial eftersom de kan genomgå fasförändringar - gå från ett lösligt till ett olösligt tillstånd, eller vice versa-som svar på temperaturförändringar. Även om detta gör dessa material användbara för applikationer som långsiktig läkemedelsleverans, deras vätskeliknande beteende hindrar dem från att vara effektiva ställningar för vävnadstekniska applikationer.

Men genom att lägga till beställda domäner till ELP:erna, Roberts och teamet skapade "Frankenstein" -proteiner som kombinerar ordnade domäner och störda regioner som leder till så kallade delvis ordnade proteiner (POP), som är utrustade med strukturell stabilitet hos ordnade proteiner utan att förlora ELP:s förmåga att bli flytande eller fasta genom temperaturförändringar.

Utformad som en vätska vid rumstemperatur som stelnar vid kroppstemperatur, dessa nya biomaterial bildar en stabil, porös byggnadsställning när den injiceras som snabbt integreras i den omgivande vävnaden med minimal inflammation och främjar bildandet av blodkärl.

"Detta material är mycket stabilt efter injektion. Det bryts inte ner snabbt och håller sin volym riktigt bra, vilket är ovanligt för ett proteinbaserat material, "Sa Roberts." Celler trivs också i materialet, återbefolka vävnaden i området där den injiceras. Alla dessa egenskaper kan göra det till ett livskraftigt alternativ för vävnadsteknik och sårläkning. "

Även om ställningen som skapades av POP var stabil, laget observerade också att materialet skulle lösa sig helt igen när det hade svalnat. Vad mer, bildnings- och upplösningstemperaturerna kan kontrolleras oberoende av varandra genom att kontrollera förhållandena mellan störda och ordnade segment i biomaterialet. Denna oberoende avstämning ger formminnen hos POP:erna via ett fenomen som kallas hysteres, så att de kan återgå till sin ursprungliga form efter en temperaturkänsla.

Duke -teamet samarbetade med Rohit Pappus laboratorium, Edwin H. Murty professor i teknik vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid Washington University i St. Louis för att förstå den molekylära grunden för sekvenskodat hysteretiskt beteende. Tyler S. Harmon, sedan en fysik Ph.D. student i Pappu -labbet, utvecklat en beräkningsmodell för att visa att hysteresen härrör från differentiala interaktioner mellan ordnade och oordnade regioner med lösningsmedel kontra ensam.

"Att kunna simulera den molekylära grunden för avstämbar hysteres sätter oss på vägen för att designa skräddarsydda material med önskade strukturer och forma minnesprofiler, "Pappu sa." Detta verkar vara ett hittills okänt inslag i synergin mellan beställda domäner och interna personer. "

Går framåt, laget hoppas kunna studera materialet i djurmodeller för att undersöka potentiella användningsområden inom vävnadsteknik och sårläkning och för att utveckla en bättre förståelse för varför materialet främjar vaskularisering. Om dessa studier är effektiva, Roberts är optimistisk att det nya materialet kan bli grunden för ett bioteknikföretag. De vill också utveckla en djupare förståelse av samspelet mellan de ordnade och oordningstyckena i dessa mångsidiga material.

"Vi har varit så fascinerade av fasbeteendet från de oordnade domänerna att vi försummade egenskaperna hos de ordnade domänerna, vilket visade sig vara ganska viktigt, "Chilkoti sa." Genom att kombinera ordnade segment med oordningssegment finns det en helt ny värld av material vi kan skapa med vacker inre struktur utan att förlora fasbeteendet hos det oordnade segmentet, och det är spännande. "