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来自杜克大学和圣路易斯华盛顿大学的生物医学工程师证明，通过注射由有序和无序区段溶液制成的人工蛋白质，可以形成一个固体支架，以响应体热，并在几周内无缝地整合到组织中。
将这些片段组合成具有独特性质的蛋白质的能力将使研究人员能够精确控制新生物材料的特性，以用于组织工程和再生医学。
该研究于10月15日在线发表在“自然材料”杂志上。
蛋白质通过折叠，折纸状和与特定生物分子结构相互作用而起作用。研究人员之前认为，蛋白质需要固定的形状才能发挥作用，但在过去的二十年中，人们对固有的无序蛋白质(IDPs)越来越感兴趣。与其折叠良好的同行不同，国内流离失所者可以采用过多的不同结构。然而，这些结构偏好是非随机的，并且最近的进展已经表明存在明确定义的规则，其将IDP的氨基酸序列中的信息连接到它们可以采用的结构集合。
研究人员假设蛋白质功能的多样性可以通过将折叠良好的蛋白质与IDP串联在一起来实现 - 就像珍珠项链一样。这种多功能性在生物材料中很明显，如肌肉和丝纤维，它们由结合有序和无序区域的蛋白质制成，使材料具有橡胶弹性和钢的机械强度等特性。
国内流离失所者有助于细胞功能，许多生物医学工程师将他们的努力集中在一种非常有用的IDP上，称为弹性蛋白。弹性蛋白是一种高弹性的蛋白质，在整个身体中，弹性蛋白使血管和器官 - 如皮肤，子宫和肺 - 在拉伸或压缩后恢复其原始形状。然而，在体外产生弹性蛋白被证明是一个挑战。
因此研究人员决定采用简化工程方法解决问题。
“我们很想知道我们可以通过向其他高度无序的蛋白质添加顺序来制作什么类型的材料，”Chilkoti实验室的博士生和该论文的第一作者Stefan Roberts说。
由于使用弹性蛋白本身的挑战，研究小组使用弹性蛋白样多肽(ELPs)，这是一种完全无序的蛋白质，用于模仿弹性蛋白片。ELP是有用的生物材料，因为它们可以经历相变 - 从可溶状态变为不溶状态，或反之亦然 - 以响应温度变化。虽然这使得这些材料可用于长期药物递送等应用，但它们的液体行为阻止它们成为组织工程应用的有效支架。
但是通过向ELP添加有序结构域，Roberts和团队创建了“Frankenstein”蛋白质，它们将有序结构域和无序区域结合起来，形成所谓的部分有序蛋白质(POPs)，这些蛋白质具有有序蛋白质的结构稳定性而不会丢失ELP通过温度变化变为液体或固体的能力。
这些新型生物材料在室温下设计为在体温下固化，在注射时形成稳定的多孔支架，迅速整合到周围组织中，炎症最小，促进血管的形成。
“这种材料在注射后非常稳定。它不会很快降解，并且它的体积非常好，这对于蛋白质材料来说是不寻常的，”Roberts说。“细胞也在材料中茁壮成长，在注射区域重新组织组织。所有这些特征使其成为组织工程和伤口愈合的可行选择。”
尽管由POP产生的支架是稳定的，但该团队还观察到材料在冷却后会完全溶解。而且，通过控制生物材料中无序和有序链段的比例，可以独立地控制形成和溶解温度。这种独立的可调性通过称为滞后的现象赋予POP上的形状记忆，允许它们在温度提示后恢复其原始形状。
杜克团队与圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系的Edwin H. Murty工程教授Rohit Pappu实验室合作，以了解序列编码滞后行为的分子基础。当时Pappu实验室的物理博士生Tyler S. Harmon开发了一个计算模型，证明滞后是由有序和无序区域与溶剂与单独的差异相互作用产生的。
“能够模拟可调滞后的分子基础使我们走上了设计具有所需结构和形状记忆特征的定制材料的道路，”Pappu说。“这似乎是有序域名和国内流离失所者之间协同作用迄今未被认识到的特征。”
继续前进，该团队希望研究动物模型中的材料，以检查组织工程和伤口愈合的潜在用途，并更好地了解材料促进血管形成的原因。如果这些研究有效，罗伯茨乐观地认为新材料可以成为生物技术公司的基础。他们还希望更深入地了解这些多功能材料中有序和无序部分之间的相互作用。
“我们对无序域产生的相行为非常着迷，我们忽略了有序域的性质，结果证明这非常重要，”Chilkoti说。“通过将有序区段与无序区段相结合，我们可以创建一个全新的材料世界，内部结构美观而不会失去无序区段的相位行为，这令人兴奋。”
