利用分子束改善组织工程

华盛顿大学(UW)的科学家表示，他们开发了一种新方法，通过在特定点对其进行修饰来保持蛋白质的完整性和功能性，从而可以使用光线将它们化学连接到工程支架上。根据发表研究报告的团队所说，由于系绳也可以通过激光切割，因此该技术可以在整个生物材料支架中创建信号蛋白的进化模式，以生长由不同类型细胞组成的组织(“ Bioactive site-specific modified蛋白质凝胶生物材料的图案化4D中“)自然材料。

“蛋白质修饰的生物材料可用于调节三维细胞功能。然而，随着对复杂细胞生理学的动态异质控制的继续寻求，允许可逆和用户定义的脆弱蛋白质与材料的束缚的策略仍然非常需要。在这里，我们介绍了一种模块化和强大的半合成方法，可以对具有位点特异性修饰蛋白的细胞负载水凝胶进行可逆模式化。利用多功能分选酶介导的转肽，我们生成了一个多样化的单一功能化蛋白质文库，其中含有生物材料修饰的生物正交反应性手柄，“研究者写道。

“我们证明荧光蛋白，酶和生长因子的光可逆光固定化具有优异的时空分辨率，同时保留了天然蛋白质的生物活性。局部表皮生长因子呈现能够动态调节增殖，细胞内丝裂原活化蛋白激酶信号传导和亚细胞解决的受体内吞作用。我们的方法广泛允许修饰和模式化各种蛋白质，这为探索和指导四维高级细胞命运提供了新的途径。“

“蛋白质是生物信息的最终传播者，”相应的作者Cole DeForest博士说，他是化学工程和生物工程的华盛顿大学助理教授，也是华盛顿大学干细胞和再生医学研究所的附属研究员。“他们几乎驱动细胞功能的所有变化 - 分化，运动，成长和死亡。”

出于这个原因，科学家长期以来一直使用蛋白质来控制组织工程中的细胞生长和分化。

但是社区最常用的将蛋白质与材料结合的化学物质，包括用于组织工程的支架，破坏了它们绝大多数的功能，”DeForest说，他也是威斯康星大学分子与工程科学研究所的教员。“从历史上看，研究人员试图通过简单地用蛋白质过载支架来弥补这一点，因为他们知道大多数蛋白质都是不活跃的。在这里，我们提出了一种通用的方法，用蛋白质可逆地功能化生物材料，同时保持其全部活性。“

他们的方法使用在许多细菌中发现的酶分选酶，在特定位置为每个信号蛋白添加短合成肽：C-末端，每个蛋白质上存在的位点。该团队设计了这种肽，使其能够将信号蛋白连接到组织工程中常见的充满液体的生物材料支架中的特定位置，称为水凝胶。

针对信号蛋白的单个位点是团队认为的关键成就。其他方法通过将化学基团连接到随机位置来修饰信号蛋白，这通常会破坏蛋白质的功能。根据DeForest的说法，仅修改蛋白质的C末端就不太可能破坏其功能。该团队对六种以上不同类型的蛋白质进行了测试。结果表明，修饰C-末端对蛋白质功能没有显着影响，并成功地将蛋白质束缚在整个水凝胶中。

他们的方法类似于将一块框架艺术挂在墙上。它们不是通过玻璃，帆布和框架随意敲击钉子，而是在每个框架的背面串起一根钢丝，将其挂在墙上。

另外，可以通过暴露于聚焦激光来切割系绳，从而引起蛋白质的“光致释放”。这使得研究人员可以加载具有许多不同类型蛋白质信号的水凝胶，然后将水凝胶暴露在激光下，以从水凝胶的某些部分中去除蛋白质。通过选择性地仅将部分材料暴露于激光，该团队控制蛋白质信号将保持与水凝胶束缚的位置。

去蛋白质在水凝胶中是有用的，因为细胞可以接收这些信号，将它们带入细胞内部，在那里它们可以影响基因表达等过程。

DeForest的团队使用含有表皮生长因子(一种蛋白质信号)的水凝胶测试了光致分离过程。他们将人细胞系引入​​水凝胶中，并观察到与细胞膜结合的生长因子。该团队使用一束激光来消除单个细胞一侧的蛋白质信号，而不是另一侧的蛋白质信号。在细胞的束缚侧，蛋白质停留在细胞外，因为它们仍然粘附在水凝胶上。在不受束缚的一侧，蛋白质信号被细胞内化。

基于我们如何定位激光，我们可以确保不同的细胞 - 甚至单个细胞的不同部分 - 正在接收不同的环境信号，”DeForest说。

DeForest补充说，单细胞内这种独特的精确度不仅有助于组织工程，还有细胞生物学的基础研究。例如，研究人员可以利用这个平台研究活细胞如何响应多种蛋白质信号组合。这一系列研究将帮助科学家了解蛋白质信号如何协同工作以控制细胞分化，治愈病变组织和促进人类发育。

“这个平台使我们能够精确控制生物活性蛋白信号何时何地呈现给材料中的细胞，”DeForest说。“这为组织工程和治疗研究中的许多激动人心的应用打开了大门。”