助力3D生物打印 | 基于類彈性蛋白多肽智能聚合物水凝膠的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

背景介紹

近年來(lái)，生物啟發(fā)的可調(diào)控、多功能生物材料得到了迅速發(fā)展，各類生物聚合物，包括多肽，蛋白質(zhì)以及多糖類材料在生物粘合劑、傳感器以及藥物傳遞系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。類彈性蛋白多肽（Elastin-like polypeptides，ELPs）是依據(jù)天然彈性蛋白氨基酸序列設(shè)計(jì)合成的具有彈性蛋白特征的人工多肽，其氨基酸序列主要由五肽（Val-Pro-Gly-Xaa-Gly, VPGXG）重復(fù)單元串聯(lián)而成，Xaa是除脯氨酸以外的任何一種氨基酸。ELPs具有良好的生物相容性、機(jī)械性能和非免疫原性。它的合成方法一般有化學(xué)法和基因重組合成法，考慮到化學(xué)法合成高分子量的ELPs較為困難，且大規(guī)模生產(chǎn)也難以實(shí)現(xiàn)?；蛑亟M合成法應(yīng)用較多，且具有以下優(yōu)勢(shì)：可在基因水平上精確控制其分子量、氨基酸序列、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而能夠精準(zhǔn)控制 ELPs 的生物功能；具有可大規(guī)模生產(chǎn)，成本低，產(chǎn)量高，易于純化等諸多優(yōu)點(diǎn)。所以ELPs 正逐步成為替代現(xiàn)有多聚物的新型組織工程材料, 成為極具應(yīng)用前景的生物材料之一。

近日，一篇名為“Design offunctional hydrogels using smart polymer based on elastin-like polypeptides”關(guān)于彈性蛋白多肽水凝膠構(gòu)建的文章由清華-伯克利深圳學(xué)院生物制造科研團(tuán)隊(duì)郭鐘偉博士在工程技術(shù)1區(qū)，工程化工1區(qū)期刊Chemical Engineering Journal發(fā)表。

本研究設(shè)計(jì)合成了一種富含賴氨酸的類彈性蛋白多肽，并通過(guò)化學(xué)法用甲基丙烯酸基團(tuán)對(duì)賴氨酸位點(diǎn)進(jìn)行共價(jià)修飾。賴氨酸作為一種強(qiáng)極性氨基酸，其在決定ELPs的結(jié)構(gòu)與功能方面起著重要作用，為了探究該修飾對(duì)ELPs的影響，研究者首先對(duì)其相轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著修飾度的提高，ELPs的相轉(zhuǎn)變溫度（Transition temperature, Tt）下降明顯。隨后通過(guò)分子建模與動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)修飾前后ELPs的構(gòu)象以及溫度誘導(dǎo)的構(gòu)象變化進(jìn)行表征，結(jié)果顯示甲基丙烯酸基團(tuán)的修飾增加了賴氨酸位點(diǎn)的疏水性相互作用并促進(jìn)了溫度誘導(dǎo)的蛋白結(jié)構(gòu)收縮過(guò)程。除了以上變化外，甲基丙烯酸基團(tuán)的修飾使得ELPs具備了光交聯(lián)能力，其產(chǎn)生的光交聯(lián)水凝膠可作為一種新型粘附性生物材料應(yīng)用在組織工程中。

技術(shù)路線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 類彈性蛋白多肽的設(shè)計(jì)與修飾

首先，研究者利用基因工程技術(shù)和大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)合成了富含賴氨酸的彈性蛋白多肽，并通過(guò)飛行時(shí)間質(zhì)譜對(duì)其分子量進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示其分子量為52.5 kDa，符合理論值。隨后采用甲基丙烯酸基團(tuán)對(duì)其賴氨酸位點(diǎn)進(jìn)行共價(jià)修飾，獲得了具有不同修飾度的ELP-MA，修飾度分別為25%，50%，80%。

圖1. 類彈性蛋白多肽的設(shè)計(jì)與修飾過(guò)程。

2. 類彈性蛋白多肽的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象探究

大多數(shù)類彈性蛋白多肽本身具備溫度敏感的相轉(zhuǎn)變特性，但在研究者的蛋白序列中，由于賴氨酸的存在，合成的ELPs相轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)高于大多數(shù)ELPs（25-35攝氏度之間），有趣的是，通過(guò)甲基丙烯酸基團(tuán)的修飾，其相轉(zhuǎn)變溫度（Transition temperature, Tt）得到了明顯降低。并，隨著修飾度的提高，相轉(zhuǎn)變溫度逐步下降。

圖2. 類彈性蛋白多肽及其衍生物的相轉(zhuǎn)變過(guò)程探究。

3. 類彈性蛋白多肽修飾前后的建模及動(dòng)力學(xué)模擬分析

為了探究該修飾對(duì)ELPs構(gòu)象的影響，研究者通過(guò)分子建模與動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)修飾前后ELPs的構(gòu)象以及溫度誘導(dǎo)的構(gòu)象變化進(jìn)行表征，結(jié)果顯示甲基丙烯酸基團(tuán)的修飾增加了賴氨酸位點(diǎn)的疏水性相互作用并促進(jìn)了溫度誘導(dǎo)的蛋白結(jié)構(gòu)收縮過(guò)程。

圖3. 類彈性蛋白多肽修飾前后的分子建模及動(dòng)力學(xué)模擬分析。

圖3. 類彈性蛋白多肽修飾前后的分子建模及動(dòng)力學(xué)模擬分析。

圖4. ELPs及其衍生物賴氨酸位點(diǎn)的分子內(nèi)相互作用變化。

4. 類彈性蛋白多肽的應(yīng)用：溫度敏感的水凝膠透光度調(diào)節(jié)材料及生物粘合劑材料

類彈性蛋白多肽的溫度轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，除了會(huì)出現(xiàn)絮凝以外，溶液也會(huì)從透明轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨?，研究者受到雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠構(gòu)建過(guò)程的啟發(fā)，將一種高溶脹度的透明質(zhì)酸水凝膠浸泡在彈性蛋白的溶液中，隨著溶脹過(guò)程的發(fā)生，彈性蛋白大量進(jìn)入到透明質(zhì)酸內(nèi)部，形成復(fù)合體系。伴隨著溫度的升高，透明質(zhì)酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)中互穿的自由彈性蛋白多肽鏈發(fā)生凝聚，復(fù)合體系從無(wú)色透明轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨煌该鞯碾p網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)水凝膠，由于彈性蛋白多肽對(duì)溫度的高敏感性，該體系可以在1-2秒內(nèi)迅速對(duì)外界溫度做出響應(yīng)。同時(shí)，考慮到大多數(shù)甲基丙烯酸基團(tuán)修飾的聚合物都有光誘導(dǎo)的共價(jià)交聯(lián)能力，進(jìn)而可以作為一種光交聯(lián)水凝膠生物粘合劑，研究者也合成了不同修飾度以及不同濃度的甲基丙烯酸化類彈性蛋白多肽水凝膠，用作生物粘合劑，并對(duì)其生物相容性做了測(cè)試。

圖5. 修飾后的類彈性蛋白多肽作為溫度敏感性的水凝膠透光度調(diào)節(jié)材料。

圖6. 修飾后的類彈性蛋白多肽作為生物粘合劑材料

結(jié)論

本文報(bào)道了一種基因工程類彈性蛋白多肽的合成及修飾方法，用于制備功能性的智能生物材料。研究者通過(guò)分子建模以及動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)類彈性蛋白多肽修飾前后的構(gòu)象以及分子內(nèi)相互作用力變化進(jìn)行了表征，隨后對(duì)其潛在應(yīng)用場(chǎng)景，包括溫度敏感性的水凝膠透光度調(diào)節(jié)材料以及生物粘合劑材料進(jìn)行了探索，最后對(duì)其體內(nèi)，體外生物相容性進(jìn)行了測(cè)試。這項(xiàng)工作為基于類彈性蛋白多肽的生物材料設(shè)計(jì)、分子建模、制造和應(yīng)用提供了一定借鑒，為仿生類生物材料和組織工程帶來(lái)了新的選擇。

參考文獻(xiàn)

Zhongwei Guo, Yuanyuan Xu, Lina Dong, Malav S.Desai, Jingjing Xia, Mujiao Liang, Seung-Wuk Lee, Shengli Mi, and Wei Sun. Designof functional hydrogels using smart polymer based on elastin-like polypeptides.Chemical Engineering Journal. 2022, 435, 135155.

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135155

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