Mussels 的水下胶水激发了合成水泥的灵感

Mussels 的水下胶水激发了合成水泥的灵感

那些试图从从木头到岩石上撬开贻贝的人都知道水下软体动物是多么顽固——而它们粘稠的秘密长期以来一直吸引着科学家。多年来,研究人员一直试图在实验室中复制这种非凡的粘合剂及其特性,目标是贻贝分泌的八种蛋白质中的一些蛋白质,这些蛋白质用于覆盖贻贝用来附着在表面上的称为足的器官。

现在,西北大学的研究人员使用一种新的方法排列分子,创造了一种性能比他们试图模仿的胶水更好的材料。他们的研究结果于 3 月 3 日发表在《美国化学学会杂志》上,扩展了这些类蛋白质聚合物如何用作创造新材料和治疗方法的平台。

“这种聚合物可以在生物医学领域用作粘合剂,这意味着现在你可以将它粘在身体的特定组织上,”西北大学的 Nathan Gianneschi 说。“并将附近的其他分子保持在一个地方,这将有助于伤口愈合或修复。”

Gianneschi领导了这项研究,是西北大学温伯格文理学院的 Jacob 和 Rosaline Cohn 化学教授。

像贻贝脚分泌的蛋白质这样的蛋白质存在于自然界中。进化已经养成了创造这些反复重复的长而线性的氨基酸链的习惯(称为串联重复蛋白,或 TRP)。有时会出现有弹性、强韧和粘性的蛋白质框架,它们出现在昆虫的翅膀和腿、蜘蛛丝和贻贝脚上。科学家们知道构成许多此类蛋白质的氨基酸的确切一级序列,但难以复制复杂的自然过程,同时仍保持非凡的品质。

该论文的第一作者 Or Berger 是 Gianneschi 实验室的博士后研究员,他研究肽——这些氨基酸链——提出了一个想法,即如何以不同的方式排列氨基酸结构单元以复制特性,而不是直接复制贻贝蛋白的结构.

通过获取其中一种蛋白质的组成部分(重复十肽,一种构成贻贝足蛋白的 10 个氨基酸序列),并将其插入合成聚合物中,Berger 认为这些特性可能会得到增强。

作为国际纳米技术研究所的副主任,Gianneschi 的大部分实验室都围绕着通过使用聚合物化学来模拟蛋白质功能的想法建立起来。在精准疗法中,抗体和其他小分子等药物疗法可对抗某些疾病,其中纳米载体用于更有效地将药物递送至目标。但 Gianneschi 表示,通过改变参与疾病进展的细胞内部和细胞之间的相互作用,或细胞、组织和材料之间的相互作用,复制蛋白质可以以不同的方式解决生物学问题。

“蛋白质将氨基酸排列成链,但我们将它们平行排列在密集的合成聚合物骨架上,”Gianneschi 说。“这与我们为控制特定的生物相互作用已经开始做的事情相同,因此我们将用于未来治疗的相同平台技术确实在材料科学中变得潜在有趣。”

结果是看起来像一把肽刷,而不是把氨基酸以一条直线的形式循环在一起形成一条链。虽然新工艺似乎增加了一个额外的步骤,但形成类蛋白质聚合物 (PLP) 会跳过几个步骤,这需要研究人员在现成的合成器中形成肽并将它们插入紧密包装的骨架中,而不是通过繁琐的蛋白质步骤表达。

为了测试新材料的功效,研究人员将聚合物材料或天然贻贝蛋白应用到玻璃板上。研究人员将细胞放在板上,然后在清洗后评估有多少细胞存在,无论是否附着,以衡量材料的性能如何。他们发现 PLP 形成了一种细胞强力胶,与天然混合物和未经处理的板相比,大部分细胞都附着在上面。

“我们实际上并不是要改善贻贝的特性,”Berger 说。“我们只是想模仿它,但当我们在几种不同的试验中对其进行测试时,我们实际上在这些环境中获得了比天然材料更好的特性。”

该团队希望该模型可以广泛应用于其他重复其序列以获得功能以复制蛋白质的新方式的蛋白质。他们假设这样一个平台可以比他们的原生平台表现更好,因为它们更密集和可扩展。Gianneschi 说,这是讨论基于聚合物的蛋白质模拟物的许多论文中的第一篇,他已经在考虑未来材料的应用。

例如,在昆虫腿和翅膀中发现的弹性蛋白 Resilin 可用于制造灵活的无人机和其他机器人。

“当你谈论聚合物时,有些人会立即想到塑料袋和瓶子,”Gianneschi 说。“相反,这些是非常实用、先进的精密材料,易于使用。”

Gianneschi 和 Berger 是该领域未决知识产权的发明者。Gianneschi 还是McCormick 工程学院的生物医学工程和材料科学与工程教授,也是西北大学生命过程化学研究所、Simpson Querrey 研究所和Robert H. Lurie 综合癌症中心的成员。他是 Grove Biopharma 公司的联合创始人,该公司寻求开发这些材料的版本作为转化疗法。

这项名为“受贻贝粘合剂启发的蛋白质模拟聚合物”的研究由一个全西北团队领导,并得到了化学和生物工程教授 Muzhou Wang 和 Danielle Tullman-Ercek 实验室的帮助。该研究得到了美国国家科学基金会材料研究部(奖励编号 2004899)的支持。

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