Biomedische ingenieurs van Duke University hebben een nieuwe benadering aangetoond voor het maken van zelf-geassembleerde biomaterialen die afhankelijk is van eiwitmodificaties en temperatuur. De hybride benadering stelt onderzoekers in staat om zelfassemblage nauwkeuriger te controleren, die nuttig kan zijn voor een verscheidenheid aan biomedische toepassingen, van medicijnafgifte tot wondgenezing.

Het onderzoek verschijnt 19 maart online in Natuurchemie .

Biomaterialen hebben brede toepassingen op het gebied van tissue engineering, regeneratieve geneeskunde en medicijnafgifte. Op eiwitten en peptiden gebaseerde materialen zijn aantrekkelijk voor deze toepassingen omdat ze niet-toxisch zijn, biologisch afbreekbaar en hebben een goed gedefinieerde samenstelling. Maar deze biomaterialen zijn beperkt tot de 20 aminozuren die in de natuur voorkomen.

Een strategie om de chemische diversiteit van op eiwitten gebaseerde materialen uit te breiden, is post-translationele modificatie (PTM), een krachtige reeks reacties die de natuur gebruikt om eiwitten chemisch te transformeren nadat ze uit genen zijn gesynthetiseerd. PTM kan specifieke aminozuren in eiwitten wijzigen of niet-eiwitstructuren toevoegen, zoals suikers en vetzuren.

"De natuur combineert verschillende chemische alfabetten om zeer geavanceerde materialen te maken, " zei Ashutosh Chilkoti, de voorzitter van de BME-afdeling van Duke en hoofdauteur van het artikel. "Een manier om dit te doen is door het aminozuurvocabulaire van eiwitten te combineren met andere zeer verschillende alfabetten - suikers en vetten zijn slechts twee voorbeelden van de vele honderden van dergelijke PTM's. Als materiaalwetenschappers, we hebben geen gebruik gemaakt van de methoden van de natuur om hybride materialen te maken, en dit vormde de inspiratie voor dit onderzoek."

Om zo'n hybride materiaal te maken met bruikbare biomedische eigenschappen, onderzoekers in het Chilkoti-lab richtten zich op het creëren van een reeks lipide-gemodificeerde polypeptiden, ook wel vetzuur-gemodificeerde elastine-achtige polypeptiden genoemd, of FAME's.

Wanneer een lipide wordt gefuseerd met een peptidesequentie, de verschillende fysische eigenschappen van het lipide en het peptide resulteren in de vorming van peptide-amfifielen, of PA's. Typische PA's kunnen zichzelf assembleren tot diverse structuren zoals lange vezels, waardoor ze bruikbaar zijn als steigers voor tissue engineering. Echter, dit gebeurt spontaan en deze materialen kunnen niet in het lichaam worden geïnjecteerd, maar moeten worden geïmplanteerd.

Het onderzoeksteam voegde nog een nuttig biomateriaal toe, elastine-achtig polypeptide (ELP), omdat het kan veranderen van een oplosbare toestand naar een onoplosbare toestand, of vice versa, afhankelijk van de temperatuur.

Met behulp van drie componenten:een lipide myristoylgroep, een beta-sheet-vormende peptidesequentie, en een elastine-achtig polypeptide (ELP) - de onderzoekers creëerden een hybride biomateriaal, het FAME-polypeptide, dat verandert van in oplossing zwevende moleculen in een vast materiaal, gewoon door de temperatuur te verhogen.

"Bevestiging van lipiden aan korte opeenvolging van peptiden, typisch 5-20 aminozuren, worden al jaren onderzocht, maar het combineren van grote biopolymeren met lipiden was nog niet onderzocht, " zei Davoud Mozhdehi, een postdoctoraal onderzoeker in het Chilkoti-lab. "Wat FAME's onderscheidt van PA's is de aanwezigheid van dit temperatuurgevoelige biopolymeer met een veel langere lengte, typisch 200-600 aminozuren, in de vorm van de ELP."

"Die korte beta-bladvormende peptidesequentie maakt slechts ongeveer twee procent uit van de hele sequentie, "Zei Mozhdehi. "Maar het heeft een enorme impact op het zelfassemblagegedrag. Dit hybride materiaal behoudt de thermische responsiviteit van de ELP en de hiërarchische zelfassemblage van de PA, het creëren van een uniek materiaal met programmeerbaar gedrag."

"Door een PA te combineren met een ELP, we krijgen een molecuul dat binnen enkele seconden van vloeibaar naar vast kan gaan met een kleine temperatuurstijging", zei Chilkoti. "Dit opent nieuwe toepassingen in de geneeskunde, waar deze materialen kunnen worden geïnjecteerd als een vloeistof die vervolgens in het lichaam zou veranderen in een vaste stof."

Deze proof-of-concept bouwt voort op eerder onderzoek van het Chilkoti-lab, waarin onderzoekers nieuwe manieren verkenden om enzymen te gebruiken om hybride lipide-peptide-polymeerfusies tussen ELP's en lipiden te synthetiseren met behulp van E. coli-bacteriën.

"Anderen hadden eerder ontdekt dat je een specifiek enzym uit complexe eukaryote cellen kunt halen en het in E. coli kunt laten functioneren, " zei Kelli Luginbuhl, een onderzoeker in het Chilkoti-lab. "Normaal gesproken, dit enzym hecht permanent een lipidegroep aan een eiwit, en we waren benieuwd of we het enzym konden gebruiken om lipide-biopolymeer hybride materialen te maken. Toen Davoud Mozhdehi over dit project hoorde, hij had een idee om een ​​korte structuurbepalende peptidesequentie in de mix op te nemen."

Onderzoekers van het Max Planck Institute for Polymer Research hielpen het Duke-team door geavanceerde materiaalkarakterisering te voltooien. "Toen we hoorden over de meerdere structuren gevormd door deze biogefabriceerde polymeren, we waren heel enthousiast om deel te nemen aan dit samenwerkingsproject om het mechanisme van door temperatuur geactiveerde hydrogel- en aggregaatvorming in deze materialen verder op te helderen, zei het Max Planck-team in een verklaring. "Onze bijdrage van temperatuurafhankelijke, atomaire krachtmicroscopie met hoge resolutie en temperatuurafhankelijke spectroscopie vormden een mooie aanvulling op het werk van de Duke-groep, en samen waren we in staat om de moleculaire transformaties te ontcijferen waarmee deze unieke biopolymeren hiërarchische materialen vormen."

"Deze bouwstenen zijn bekend in het veld en nu hebben we aangetoond dat het combineren ervan door covalente bindingen te vormen, resulteert in synergetische eigenschappen en zelfassemblage, " zei Mozhdehi. "We hopen deze methode uit te breiden naar andere lipiden en eiwitten en nieuwe instrumenten en materialen te ontwikkelen voor de biomedische toepassingen."