Konstruieren von Zelle-Entgegenkommenden Biosubstanzen Durch Protein-Engineering

Aktuell Hauptarten des Chirurggebrauches zwei von Materialien innerhalb des Gehäuses, zum von geschädigten Körperteilen auszutauschen: jedes geläufigen industriellen Materialien oder geerntete natürliche Materialien. Geläufige industrielle Materialien umfassen Edelstahl- und Titanlegierungen in den künstlichen Gelenken und synthetische Polymere in den Gefäßüberbrückungen. Während diese Materialien häufig am Austauschen von mechanischen Funktionen im Gehäuse gute Leistung bringen, ermangeln sie viel der mikro- und Nano-schuppe Einteilung, die für richtige biochemische Funktion innerhalb des Gehäuses notwendig ist.

Um diese biochemischen Funktionen auszutauschen, sind geerntete natürliche Materialien wie Herzklappen und andere Organtransplantationen im Allgemeinen der Goldstandard. Jedoch haben diese natürlichen Materialien einige Beschränkungen: sie sind teuer und zeit-steigernd zu ernten und zu reinigen, riskieren sie die Übertragung von Krankheiten, ermangeln sie die strenge Qualitätskontrollreproduzierbarkeit, die in der Synthese von industriellen Materialien gefunden wird, und sie sind fast unmöglich, für spezifische Anwendungen anzupassen.

In der Antwort hat Professor Sarah Heilshorn und ihr Team an der Heilshorn-Biosubstanz-Gruppe die Möglichkeit des Konstruierens und der Synthetisierung von den Materialien erforscht, die von ausgeführten Proteinen gemacht werden.¹ Proteine sind eins der materiellen hauptsächlichbauteile unserer Gehäuse, und sie haben im Laufe der Zeit entwickelt, um Materialien mit einer Blendungsreihe biomechanischen und biochemischen Eigenschaften zu bilden. Ein Protein wird von einigen Aminosäuren gemacht, die zusammen in eine Langkette aufgereiht werden.

Indem man die Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette sich unterscheidet, werden Proteine mit verschiedenen Materialeigenschaften hergestellt. Für natürlich entwickelte Proteine wird die Ausbildung, die die Reihenfolge von Aminosäuren für jede Proteinkette enthalten, in unserem Genmaterial, DNS, fand im Kern von Zellen kodiert. Um diesen Prozess nachzuahmen, können Materialwissenschaftler neue Aminosäurereihenfolgen in Bits ausgeführter DNS kodieren die chemisch synthetisiert werden. Diese genetische Meldung wird in einen Hauptrechnerorganismus, wie nicht-ansteckende Bakterien eingeschoben. Die natürliche synthetische Maschinerie im Hauptrechnerorganismus dann überträgt die ausgeführte DNS-Meldung und synthetisiert eine Proteinkette mit der genauen festgelegten Aminosäurereihenfolge. Das ausgeführte Proteinprodukt kann zu einem Material dann gereinigt werden und aufbereitet werden.

Professor Sarah Heilshorn und ihr Team verwenden diese Technik, recombinant Protein-Engineering, um neue Proteinmaterialien für medizinische Anwendungen zu konstruieren. Diese Proteinmaterialien kombinieren viele der Vorteile der geläufigen industriellen Materialien, wie Reproduzierbarkeit und einfache Kundenbezogenheit, mit den Vorteilen von geernteten natürlichen Materialien, wie Zellkompatibilität und biologischer Abbaubarkeit. Diese neuen Materialien arbeiten, indem sie die natürlichen Proteine nachahmen, die innerhalb unserer Gehäuse gefunden werden.

Gerade wie natürliche Proteine, enthalten diese ausgeführten Proteine biomechanische und biochemische „Ausbildung“ die Zellen führen kann, um sich auf bestimmte Arten zu benehmen. Unter Verwendung dieser neuen Materialien arbeiten wir, um die korrekte Bedienungsanleitung, die Zellen, um veranlaßt in einen spezifischen Gewebetyp zu befolgen, zu migrieren, sich stark zu vermehren und zu unterscheiden, Abbildung 1. zu bestimmen.

Abbildung 1. Digital erhöhtes Mikroskopbild von den neuralen Stammzellen (gezeigt in Grünem und in Blauem) gewachsen innerhalb einer Protein-ausgeführten Biosubstanz. Mehrere der Zellen haben, in die Neuronen zu unterscheiden (gezeigt im Grün) begonnen und lange neuritic Sprösslinge auszudehnen. Ursprünglicher Mikrograph erworben von Cheryl Wong PO Foo; digitale Grafik durchgeführt von Chelsea Castillo.

Mein Labor wird aktuell auf Materialien gerichtet, um Krankheiten und Verletzungen zum Zentralnervensystem zu behandeln, obgleich diese materielle Auslegungsstrategie an irgendeinem Gewebetyp angewendet werden kann.² Weil Zellen gleichzeitig auf die biomechanischen und biochemischen Signale reagieren, ist es kritisch, Materialien zu konstruieren, die unabhängige Modulation von variablem jedem aktivieren.

Als ein Beispiel haben wir Proteinmaterialien konstruiert, die elastisch ähnliche mechanische Eigenschaften (sie sind dehnbar und elastisch) mit Zellekleber biochemischen Eigenschaften kombinieren.³ Diese Materialien können weiter konstruiert werden, um auf Änderungen in der lokale Zellumgebung zu reagieren, indem man mit Zelle-abgesonderten Enzymen reagiert.⁴ Diese Materialenzym Reaktionen können verwendet werden, um das Auftauchen von dreidimensionalen Mustern innerhalb des Materials zu starten oder die Lieferung von mehrfachen Drogen mit eindeutigen zeitlichen und räumlichen Freigabeprofilen zu starten. Indem sie die Materialien nachahmen, die natürlich in unseren Gehäusen gefunden werden, aktivieren diese Protein-ausgeführten Materialien die Entwicklung von neuen medizinischen Therapien.

Quittungen

Die Arbeit, die in diesem Artikel beschrieben wurde, wurde vom Hellman-Lehrkörper-Gelehrt-Preis, vom deLarios Familien-Gelehrt-Fonds, von der Nationalen Akademie-Keck-Zukunft-Initiative, von der National Science Foundation (EFRI-CBE-0735551 und DMR-0846363) und von den Nationalen Instituten der Gesundheit unterstützt (1DP2-OD-006477-01 und R01-DK-085720-01).

Bezüge

1. Wong PO Foo C, Ausgeführte Biosubstanzen Heilshorn SC Protein, Kapitel 8, Protein-Engineering und Auslegung, Herausgeber Cochran J und Park SJ, Druckerei ZYKLISCHER BLOCKPRÜFUNG, Boca Raton, FL, 2009.
2. Wong PO Foo C, Lee JS, Mulyasasmita W, Parisi-Amon A, Heilshorn SC-Zwei-Bauteil Protein-führte körperliche Hydrogele für Zelleinschalung aus. Verfahren der National Academy Of Sciences USA 2009, 106 (52): 22067-22072.
3. Straley K, Unabhängige Justage Heilshorn SC von den mehrfachen Biosubstanzeigenschaften unter Verwendung des Protein-Engineerings. Weicher Stoff 2009; 5:114-124.
4. Straley K, Heilshorn SC Dynamisch, dreidimensionale Musterentstehung innerhalb der Enzym-entgegenkommenden Hydrogele. Fortgeschrittener Werkstoff 2009, 21:4148-4152.