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)計及應(yīng)用研究

背景介紹

近年來，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)也難以實現(xiàn)�；�因重組合成法應(yīng)用較多，且具有以下優(yōu)勢：可在基因水平上精確控制其分子量、氨基酸序列、拓撲結(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。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)院生物制造科研團隊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)計合成了一種富含賴氨酸的類彈性蛋白多肽，并通過化學(xué)法用甲基丙烯酸基團對賴氨酸位點進行共價修飾。賴氨酸作為一種強極性氨基酸，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ELPs的影響，研究者首先對其相轉(zhuǎn)變過程進行研究，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。隨后通過分子建模與動力學(xué)模擬的方法對修飾前后ELPs的構(gòu)象以及溫度誘導(dǎo)的構(gòu)象變化進行表征，結(jié)果顯示甲基丙烯酸基團的修飾增加了賴氨酸位點的疏水性相互作用并促進了溫度誘導(dǎo)的蛋白結(jié)構(gòu)收縮過程。除了以上變化外，甲基丙烯酸基團的修飾使得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

實驗結(jié)果

1. 類彈性蛋白多肽的設(shè)計與修飾

首先，研究者利用基因工程技術(shù)和大腸桿菌表達系統(tǒng)合成了富含賴氨酸的彈性蛋白多肽，并通過飛行時間質(zhì)譜對其分子量進行鑒定，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對其賴氨酸位點進行共價修飾，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)計與修飾過程。

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)變溫度遠高于大多數(shù)ELPs（25-35攝氏度之間），有趣的是，通過甲基丙烯酸基團的修飾，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)變過程探究。

3. 類彈性蛋白多肽修飾前后的建模及動力學(xué)模擬分析

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

圖3. 類彈性蛋白多肽修飾前后的分子建模及動力學(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力學(xué)模擬分析。

圖4. ELPs及其衍生物賴氨酸位點的分子內(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，除了會出現(xiàn)絮凝以外，溶液也會從透明轉(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，隨著溶脹過程的發(fā)生，彈性蛋白大量進入到透明質(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)合體系從無色透明轉(zhuǎn)變?yōu)槿榘咨�不透明的雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)水凝膠，由于彈性蛋白多肽對溫度的高敏感性，該體系可以在1-2秒內(nèi)迅速對外界溫度做出響應(yīng)。同時，考慮到大多數(shù)甲基丙烯酸基團修飾的聚合物都有光誘導(dǎo)的共價交聯(lián)能力，進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，并對其生物相容性做了測試。

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。研究者通過分子建模以及動力學(xué)模擬的方法對類彈性蛋白多肽修飾前后的構(gòu)象以及分子內(nèi)相互作用力變化進行了表征，隨后對其潛在應(yīng)用場景，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行了探索，最后對其體內(nèi)，體外生物相容性進行了測試。這項工作為基于類彈性蛋白多肽的生物材料設(shè)計、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了新的選擇。

參考文獻

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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