Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка и Университета Вашингтона в Сент-Луисе продемонстрировали, что при введении искусственного белка, сделанного из раствора упорядоченных и неупорядоченных сегментов, в ответ на тепло тела формируется твердый каркас, а через несколько недели легко интегрируется в ткани.
Возможность объединять эти сегменты в белки с уникальными свойствами позволит исследователям точно контролировать свойства новых биоматериалов для применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
Исследование опубликовано в Интернете 15 октября в журнале Nature Materials.
Функции белков складываются, как оригами, и взаимодействуют с определенными биомолекулярными структурами. Раньше исследователи считали, что белкам для функционирования необходима фиксированная форма, но за последние два десятилетия интерес к внутренне неупорядоченным белкам (IDP) возрос. В отличие от своих хорошо сложенных собратьев, ВПЛ могут принять множество различных структур. Однако эти структурные предпочтения не случайны, и последние достижения показали, что существуют четко определенные правила, связывающие информацию в аминокислотных последовательностях ВПЛ с наборами структур, которые они могут принять.
Исследователи выдвинули гипотезу о том, что универсальность белковых функций достигается за счет связывания хорошо свернутых белков с IDPs - скорее, как жемчужные ожерелья. Эта универсальность очевидна в биологических материалах, таких как мышечные и шелковые волокна, которые состоят из белков, сочетающих упорядоченные и неупорядоченные участки, что позволяет материалам проявлять такие характеристики, как эластичность резины и механическая прочность стали.
IDP играют важную роль в функционировании клеток, и многие инженеры-биомедики сосредоточили свои усилия на чрезвычайно полезном IDP, называемом эластином. Высокоэластичный белок, присутствующий во всем теле, эластин позволяет кровеносным сосудам и органам, таким как кожа, матка и легкие, возвращаться к своей первоначальной форме после растяжения или сжатия. Однако создание эластина вне тела оказалось сложной задачей.
Поэтому исследователи решили использовать редукционистский инженерный подход к проблеме.
«Нам было любопытно посмотреть, какие типы материалов мы могли бы получить, добавляя порядок к сильно неупорядоченному белку», - сказал Стефан Робертс, аспирант лаборатории Чилкоти и первый автор статьи.
Из-за проблем, связанных с использованием самого эластина, исследовательская группа работала с эластиноподобными полипептидами (ELP), которые представляют собой полностью неупорядоченные белки, созданные для имитации кусочков эластина. ELP являются полезными биоматериалами, поскольку они могут претерпевать фазовые изменения - переходить из растворимого в нерастворимое состояние или наоборот - в ответ на изменение температуры. Хотя это делает эти материалы полезными для таких приложений, как долговременная доставка лекарств, их жидкое поведение не позволяет им быть эффективными каркасами для приложений тканевой инженерии.
Но, добавляя упорядоченные домены к ELP, Робертс и его команда создали белки «Франкенштейна», которые объединяют упорядоченные домены и неупорядоченные области, что приводит к так называемым частично упорядоченным белкам (POP), которые обладают структурной стабильностью упорядоченные белки без потери способности ELP становиться жидкими или твердыми при изменении температуры.
Разработанные как жидкость при комнатной температуре, которая затвердевает при температуре тела, эти новые биоматериалы при введении образуют стабильный пористый каркас, который быстро интегрируется в окружающие ткани с минимальным воспалением и способствует образованию кровеносных сосудов.
«Этот материал очень стабилен после инъекции. Он не разлагается быстро и очень хорошо сохраняет свой объем, что необычно для материала на белковой основе», - сказал Робертс.«Клетки также процветают в материале, повторно заселяя ткани в области, куда его вводят. Все эти характеристики могут сделать его жизнеспособным вариантом для тканевой инженерии и заживления ран».
Хотя каркас, созданный POP, был стабильным, команда также заметила, что материал полностью растворяется после охлаждения. Более того, температуру образования и растворения можно контролировать независимо, контролируя соотношение неупорядоченных и упорядоченных сегментов в биоматериале. Эта независимая настраиваемость наделяет POP памятью формы с помощью явления, известного как гистерезис, что позволяет им возвращаться к своей первоначальной форме после температурного сигнала.
Команда Дьюка сотрудничала с лабораторией Рохита Паппу, профессора инженерии Эдвина Х. Мерти на кафедре биомедицинской инженерии Вашингтонского университета в Сент-Луисе, чтобы понять молекулярную основу гистерезисного поведения, кодируемого последовательностью. Тайлер С. Хармон, в то время аспирант по физике в лаборатории Паппу, разработал вычислительную модель, чтобы показать, что гистерезис возникает из-за дифференциального взаимодействия упорядоченных и неупорядоченных областей с растворителем по сравнению с одним..
«Возможность моделировать молекулярную основу для настраиваемого гистерезиса ставит нас на путь разработки материалов на заказ с желаемой структурой и профилями с памятью формы», - сказал Паппу. «Похоже, это до сих пор непризнанная особенность синергии между упорядоченными доменами и IDP».
Двигаясь вперед, команда надеется изучить материал на моделях животных, чтобы изучить потенциальные возможности использования в тканевой инженерии и заживлении ран, а также лучше понять, почему материал способствует васкуляризации. Если эти исследования окажутся эффективными, Робертс надеется, что новый материал может стать основой для биотехнологической компании. Они также хотят глубже понять взаимодействие между упорядоченными и неупорядоченными частями этих универсальных материалов.
«Мы были настолько очарованы фазовым поведением неупорядоченных доменов, что пренебрегли свойствами упорядоченных доменов, которые оказались очень важными», - сказал Чилкоти. «Объединяя упорядоченные сегменты с неупорядоченными сегментами, мы можем создать целый новый мир материалов с красивой внутренней структурой, не теряя при этом фазового поведения неупорядоченного сегмента, и это захватывающе».