Projetando Matérias Biológicos Pilha-Responsivos Com a Engenharia da Proteína

Actualmente, tipos preliminares do uso dois dos cirurgiões de materiais dentro do corpo para substituir partes do corpo danificadas: um ou outro materiais industriais comuns ou materiais naturais colhidos. Os materiais industriais Comuns incluem ligas de aço inoxidável e titanium em junções artificiais e polímeros sintéticos em desvios vasculares. Quando estes materiais executarem frequentemente bem em substituir funções mecânicas no corpo, faltam muita organização da micro e da nano-escala necessária para a função bioquímica apropriada dentro do corpo.

A fim substituir estas funções bioquímicas, os materiais naturais colhidos tais como válvulas de coração e outras transplantações de órgão são geralmente a bandeira de ouro. Contudo, estes materiais naturais têm um número de limitações: são caros e tempo-intensivos colher e refinar, arriscam a transmissão das doenças, faltam a reprodutibilidade restrita do controle da qualidade encontrada na síntese de materiais industriais, e são quase impossíveis de personalizar para aplicações específicas.

Na resposta, o Professor Sarah Heilshorn e sua equipe no Grupo dos Matérias Biológicos de Heilshorn têm explorado a possibilidade de projetar e de sintetizar os materiais feitos de proteínas projetadas.¹ As Proteínas são um dos componentes materiais principais de nossos corpos, e evoluíram ao longo do tempo para formar materiais com uma disposição do brilho de propriedades biomecânicas e bioquímicas. Uma proteína é feita de diversos ácidos aminados amarrados junto em uma corrente longa.

Variando a seqüência dos ácidos aminados na corrente, as proteínas com propriedades materiais diferentes são criadas. Para proteínas naturalmente evoluídas, as instruções que contêm a seqüência dos ácidos aminados para cada corrente da proteína são codificadas em nosso material genético, ADN, encontraram no núcleo das pilhas. Para imitar este processo, os cientistas dos materiais podem codificar seqüências de ácido aminado novas nos bits do ADN projetado que são sintetizados quimicamente. Esta mensagem genética é introduzida em um organismo do anfitrião, tal como as bactérias não-infecciosas. A maquinaria sintética natural no organismo do anfitrião então traduz a mensagem projetada do ADN e sintetiza uma corrente da proteína com a seqüência de ácido aminado exacta especificada. O produto projetado da proteína pode então ser refinado e processado em um material.

O Professor Sarah Heilshorn e sua equipe está usando esta técnica, engenharia de recombinação da proteína, para projectar materiais novos da proteína para aplicações médicas. Estes materiais da proteína combinam muitas das vantagens de materiais industriais comuns, tais como a reprodutibilidade e a personalização fácil, com as vantagens de materiais naturais colhidos, tais como a compatibilidade da pilha e a biodegradabilidade. Estes materiais novos trabalham imitando as proteínas naturais encontradas dentro de nossos corpos.

Apenas como proteínas naturais, estas proteínas projetadas contêm as “instruções biomecânicas e bioquímicas” que podem guiar pilhas para se comportar em determinadas maneiras. Usando estes materiais novos, nós estamos trabalhando para determinar o grupo correcto de instruções que farão com que as pilhas adiram, migrem, proliferem, e se diferenciem em um tipo específico do tecido, Figura 1.

Figura 1. imagem aumentada Digital do microscópio das células estaminais neurais (mostrado em verde e em azul) crescidas dentro de um matéria biológico proteína-projetado. Diversas das pilhas começaram diferenciar-se nos neurônios (mostrados no verde) e estender brotos neuritic longos. Micrografia Original adquirida por Cheryl Wong Po Foo; arte finala digital executada por Chelsea Castillo.

Meu laboratório é centrado actualmente sobre materiais para tratar doenças e ferimentos ao sistema nervoso central, embora esta estratégia de projecto material possa ser aplicada a qualquer tipo do tecido.² Porque as pilhas respondem simultaneamente aos sinais biomecânicos e bioquímicos, é crítico projectar os materiais que permitem a modulação independente de cada um variável.

Como um exemplo, nós projectamos os materiais da proteína que combinam elástico-como propriedades mecânicas (são elásticos e resilientes) com as propriedades bioquímicas do pilha-adesivo.³ Estes materiais podem mais ser projectados responder às mudanças no ambiente da pilha local reagindo com as enzimas pilha-segregadas.⁴ Estas reacções da material-enzima podem ser usadas para provocar a emergência de testes padrões tridimensionais dentro do material ou para provocar a entrega de drogas múltiplas com perfis temporais e espaciais distintos da liberação. Imitando os materiais encontrados naturalmente em nossos corpos, estes materiais proteína-projetados permitirão a revelação de terapias médicas novas.

Reconhecimentos

O trabalho descrito neste artigo foi apoiado pela Concessão do Erudito da Faculdade de Hellman, pelo Fundo do Erudito da Família dos deLarios, pela Iniciativa Nacional dos Futuros de Keck das Academias, pelo National Science Foundation (EFRI-CBE-0735551 e DMR-0846363), e pelos Institutos de Saúde Nacionais (1DP2-OD-006477-01 e R01-DK-085720-01).

Referências

1. Wong Po Foo C, Matérias Biológicos Projetados Proteína do SC. de Heilshorn, Capítulo 8, Engenharia e Projecto da Proteína, editores Cochran J e Parque SJ, Imprensa do CENTRO DE DETECÇÃO E DE CONTROLO, Boca Raton, FL, 2009.
2. Wong Po Foo C, Lee JS, Mulyasasmita W, Parisi-Amon A, Dois-Componente do SC. de Heilshorn proteína-projectou hydrogels físicos para a capsulagem da pilha. Continuações da Academia Nacional das Ciências EUA 2009, 106 (52): 22067-22072.
3. Straley K, ajustamento Independente do SC. de Heilshorn de propriedades múltiplas do matéria biológico usando a engenharia da proteína. Matéria Macia 2009; 5:114-124.
4. Straley K, SC. Dinâmico, formação de Heilshorn de teste padrão tridimensional dentro dos hydrogels enzima-responsivos. Materiais Avançados 2009, 21:4148-4152.