萊斯大學(xué)研究人員開發(fā)定制工程生物材料，為3D打印生物結(jié)構(gòu)打開新大門

2025年2月6日，南極熊獲悉，萊斯大學(xué)的研究團(tuán)隊揭示了一種新的定制工程生物材料（ELM）的序列-結(jié)構(gòu)-屬性關(guān)系，能夠更精確地控制材料的結(jié)構(gòu)及其對變形力（如拉伸或壓縮）的響應(yīng)。ELM材料可以通過3D打印技術(shù)制造復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，適用于多種應(yīng)用，使其成為3D打印的理想材料選擇。

△從左到右：Caroline Ajo-Franklin、Carlson Nguyen 和 Esther Jimenez。來源：萊斯大學(xué)。

這項研究以題為“Genetically Modifying theProtein Matrix of Macroscopic Living Materials to Control Their Structure andRheological Properties”的論文發(fā)表在《ACS 合成生物學(xué)》特刊上，重點關(guān)注改變蛋白質(zhì)基質(zhì)，即為工程生物材料提供結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。通過引入微小的基因變化，研究小組發(fā)現(xiàn)他們可以顯著改變這些材料的行為方式。這些發(fā)現(xiàn)可能為組織工程、藥物輸送和生物設(shè)備 3D 打印的進(jìn)步打開新的大門。

△論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssynbio.4c00336

萊斯大學(xué)生物科學(xué)教授、這項研究的通訊作者 CarolineAjo-Franklin 說道：“我們正在改造細(xì)胞，以創(chuàng)建具有獨特屬性的可定制材料。雖然合成生物學(xué)為我們提供了調(diào)整這些屬性的工具，但基因序列、材料結(jié)構(gòu)和行為之間的聯(lián)系至今仍未被探索。”

研究團(tuán)隊利用合成生物學(xué)技術(shù)，研究了一種名為 Caulobactercrescentus 的細(xì)菌。實驗室以前的成員對這種細(xì)菌進(jìn)行了改造，使其產(chǎn)生一種名為 BUD（“自下而上從頭開始”的縮寫）的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以幫助細(xì)胞粘在一起并形成支撐基質(zhì)。這使得細(xì)菌能夠長成厘米大小的結(jié)構(gòu)，被稱為 BUD-ELM。

萊斯大學(xué)的研究人員定制了工程生物材料——為生物設(shè)備的 3D 打印進(jìn)步打開了大門。采用這種工程方法，研究人員改變了特定蛋白質(zhì)片段（稱為彈性蛋白樣多肽 (ELP)）的長度，并創(chuàng)造了新材料。該團(tuán)隊對原始的中長 BUD-ELM 和兩種新變體進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)每種變體都表現(xiàn)出不同的特性。第一種材料稱為 BUD40，具有最短的 ELP，并形成更厚的纖維，從而產(chǎn)生更硬的塊體材料。第二種材料 BUD60 具有中等長度的 ELP，并形成了球狀物和纖維的組合，在變形振蕩應(yīng)力下產(chǎn)生了最強(qiáng)的材料。最后，具有最長 ELP 的 BUD80 產(chǎn)生了更細(xì)的纖維，從而產(chǎn)生了一種不太堅硬的材料，在變形應(yīng)力下容易斷裂。

先進(jìn)的成像和機(jī)械測試表明，這些差異不僅僅是外觀上的——它們還影響材料處理壓力和在壓力下流動的方式。例如，BUD60 可以承受更大的力，更好地適應(yīng)環(huán)境變化——使其成為 3D 打印或藥物輸送等應(yīng)用的理想選擇。

這三種材料有兩個共同點：它們表現(xiàn)出剪切稀化行為并且含有大量水分（約占其重量的93%），這使得它們非常適合生物醫(yī)學(xué)用途，例如在組織工程中支持細(xì)胞生長的支架或以受控方式輸送藥物的系統(tǒng)。

生物科學(xué)研究生、該研究的第一作者 Esther Jimenez 說道：“這項研究是首批專注于從頭開始構(gòu)建具有定制機(jī)械性能的活體材料，而不僅僅是添加生物功能的研究之一。通過對蛋白質(zhì)序列進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，我們獲得了關(guān)于如何設(shè)計具有特定機(jī)械性能的材料的寶貴見解?！?/div>

ELM材料的潛在用途不僅限于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；這些自組裝材料可以用于環(huán)境清理或可再生能源應(yīng)用，如建造可生物降解的結(jié)構(gòu)或利用自然過程來產(chǎn)生能量。

萊斯大學(xué)生物科學(xué)專業(yè)大四學(xué)生、這項研究的第二作者 Carlson Nguyen 說：“這項研究強(qiáng)調(diào)了理解序列-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系的重要性。通過確定特定的基因修飾如何影響材料性質(zhì)，我們正在為設(shè)計下一代生物材料奠定基礎(chǔ)?！?/div>

這項研究得到了美國國家科學(xué)基金會研究生獎學(xué)金、德克薩斯州癌癥預(yù)防與研究機(jī)構(gòu)以及韋爾奇基金會的支持。