杜克大學：發現依靠蛋白質修飾和溫度來製造自組裝生物材料的新方法

由脂肪酸修飾的彈性蛋白多肽(FAME)形成的自組裝結構。研究人員利用溫度線索使分子聚集起來。來源:杜克大學的Davoud Mozhdehi和Kelli Luginbuhl。

杜克大學(Duke University)的生物醫學工程師們展示了一種依靠蛋白質修飾和溫度來製造自組裝生物材料的新方法。這種混合的方法使研究人員能夠更精確地控制自組裝，這可能對從藥物傳遞到傷口癒合的各種生物醫學應用都很有用。

這項研究發表在3月19日的《自然化學》雜誌上。

生物材料在組織工程、再生醫學和藥物輸送領域有著廣泛的應用。蛋白質和肽基材料對於這些應用是具有吸引力的，因為它們無毒、可生物降解，並且具有良好的組成。但這些生物材料僅限於自然界中發現的20種氨基酸。

一種擴大基於蛋白質材料化學多樣性的策略是翻譯後修飾(PTM)，這是一組強有力的反應，自然界在通過基因合成蛋白質後，利用化學方法改變蛋白質。PTM可以修飾蛋白質中的特定氨基酸或添加非蛋白質結構，如糖和脂肪酸。

「大自然將不同的化學字母組合在一起製造出非常複雜的材料，」杜克大學生物醫學工程系主任及論文的主要作者Ashutosh Chilkoti說。「一種方法是將蛋白質的氨基酸辭彙與其他不同的字母組合——糖和脂肪僅僅是數百個這樣PTMs的兩個例子。作為材料科學家，我們沒有利用自然的方法來製造混合材料，這為這項研究提供了靈感。」

為了使這種混合材料具有實用的生物醫學特性，Chilkoti實驗室的研究人員專註於製造一系列的脂質改性的多肽，也被稱為脂肪酸修飾的彈性蛋白多肽，也叫FAMEs。

當脂質被融合到肽序列時，脂質和肽的不同物理性質會導致形成多肽的兩親分子，或PAs。典型的PAs可以自組裝成多種結構，如長纖維，使其作為組織工程的支架。然而，這是自發發生的，這些材料不能注射到體內，而是必須植入體內。

研究小組還添加了另一種有用的生物材料，如彈性蛋白多肽(ELP)，因為它可以由可溶性狀態變為不溶態，反之亦然，這取決於溫度。

研究人員利用三種成分——脂質肉豆蔻醯基，β-摺疊肽序列，以及彈性蛋白多肽(ELP)——創造了一種混合生物材料，即FAME多肽，它是通過提高溫度而從溶液中遊離的分子轉變成固體材料。

「脂質與短序列多肽的結合，通常是5-20個氨基酸，已經被研究了許多年，但是將大型生物聚合物與脂質結合在一起還沒有被研究過」， Chilkoti實驗室的博士後研究員Davoud Mozhdehi說，「FAMEs與PAs的區別在於，這種溫度敏感的生物聚合物存在的時間更長，通常是200-600個氨基酸，以ELP的形式存在。」

「這種短的β-摺疊肽序列只佔整個序列的2%。」 Mozhdehi說，「但它對自組裝行為有巨大的影響。這種混合材料保留了ELP的熱響應能力和PA的分層自組裝，創造了一種具有可編程行為的獨特材料。

「通過將PA和ELP結合起來，我們得到了一種分子，它可以在幾秒鐘內從液體變成固體，溫度也會小幅升高。」 Chilkoti說，「這在醫學上開闢了新的應用領域，這些材料可以作為液體注入，然後在體內變成固體。」

這一概念證明是建立在Chilkoti實驗室之前的研究基礎之上的，這項研究中研究人員探索了通過酶來使用大腸桿菌合成ELPs和脂質之間的混合脂質-多肽聚合物。

「其他人之前發現，你可以從複雜的真核細胞中提取一種特殊的酶，讓它在大腸桿菌中發揮作用，」 Chilkoti實驗室的研究科學家Kelli Luginbuhl說。「正常情況下，這種酶會永久性地將脂類附著在蛋白質上，我們很好奇我們是否可以使用這種酶來製造脂質-生物聚合物混合材料。當Davoud Mozhdehi聽說這個項目的時候，他有一個想法，將一個短結構導向的肽序列融入到混合中。」

Max Planck聚合物研究所的研究人員通過完成先進的材料表徵，幫助杜克團隊。 「在聽到這些生物結構聚合物形成的多重結構後，我們非常興奮地參與了這項合作項目，進一步闡明了這些材料中溫度觸發的水凝膠和聚合形成的機制。」 Max Planck小組在一份聲明中說。「我們對溫度依賴性、高解析度原子力顯微鏡和溫度依賴性光譜的貢獻，很好地補充了DuKe團隊的研究成果，並且我們共同破譯了這些獨特的生物聚合物形成分層材料的分子轉變。」

「這些構築塊在這該領域是已知的，現在我們已經表明，通過結合它們形成共價鍵，產生協同效應和自組裝，」 Mozhdehi說。「我們希望將這種方法擴展到其他脂類和蛋白質，並為生物醫學應用開發新的工具和材料。」

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