助力3D生物打印 | 基于类弹性蛋白多肽智能聚合物水凝胶的设计及应用研究

背景介绍

近年来，生物启发的可调控、多功能生物材料得到了迅速发展，各类生物聚合物，包括多肽，蛋白质以及多糖类材料在生物粘合剂、传感器以及药物传递系统中得到了广泛应用。类弹性蛋白多肽（Elastin-like polypeptides，ELPs）是依据天然弹性蛋白氨基酸序列设计合成的具有弹性蛋白特征的人工多肽，其氨基酸序列主要由五肽（Val-Pro-Gly-Xaa-Gly, VPGXG）重复单元串联而成，Xaa是除脯氨酸以外的任何一种氨基酸。ELPs具有良好的生物相容性、机械性能和非免疫原性。它的合成方法一般有化学法和基因重组合成法，考虑到化学法合成高分子量的ELPs较为困难，且大规模生产也难以实现。基因重组合成法应用较多，且具有以下优势：可在基因水平上精确控制其分子量、氨基酸序列、拓扑结构，从而能够精准控制 ELPs 的生物功能；具有可大规模生产，成本低，产量高，易于纯化等诸多优点。所以ELPs 正逐步成为替代现有多聚物的新型组织工程材料, 成为极具应用前景的生物材料之一。

近日，一篇名为“Design offunctional hydrogels using smart polymer based on elastin-like polypeptides”关于弹性蛋白多肽水凝胶构建的文章由清华-伯克利深圳学院生物制造科研团队郭钟伟博士在工程技术1区，工程化工1区期刊Chemical Engineering Journal发表。

本研究设计合成了一种富含赖氨酸的类弹性蛋白多肽，并通过化学法用甲基丙烯酸基团对赖氨酸位点进行共价修饰。赖氨酸作为一种强极性氨基酸，其在决定ELPs的结构与功能方面起着重要作用，为了探究该修饰对ELPs的影响，研究者首先对其相转变过程进行研究，结果表明随着修饰度的提高，ELPs的相转变温度（Transition temperature, Tt）下降明显。随后通过分子建模与动力学模拟的方法对修饰前后ELPs的构象以及温度诱导的构象变化进行表征，结果显示甲基丙烯酸基团的修饰增加了赖氨酸位点的疏水性相互作用并促进了温度诱导的蛋白结构收缩过程。除了以上变化外，甲基丙烯酸基团的修饰使得ELPs具备了光交联能力，其产生的光交联水凝胶可作为一种新型粘附性生物材料应用在组织工程中。

技术路线

实验结果

1. 类弹性蛋白多肽的设计与修饰

首先，研究者利用基因工程技术和大肠杆菌表达系统合成了富含赖氨酸的弹性蛋白多肽，并通过飞行时间质谱对其分子量进行鉴定，结果显示其分子量为52.5 kDa，符合理论值。随后采用甲基丙烯酸基团对其赖氨酸位点进行共价修饰，获得了具有不同修饰度的ELP-MA，修饰度分别为25%，50%，80%。

图1. 类弹性蛋白多肽的设计与修饰过程。

2. 类弹性蛋白多肽的相转变现象探究

大多数类弹性蛋白多肽本身具备温度敏感的相转变特性，但在研究者的蛋白序列中，由于赖氨酸的存在，合成的ELPs相转变温度远高于大多数ELPs（25-35摄氏度之间），有趣的是，通过甲基丙烯酸基团的修饰，其相转变温度（Transition temperature, Tt）得到了明显降低。并，随着修饰度的提高，相转变温度逐步下降。

图2. 类弹性蛋白多肽及其衍生物的相转变过程探究。

3. 类弹性蛋白多肽修饰前后的建模及动力学模拟分析

为了探究该修饰对ELPs构象的影响，研究者通过分子建模与动力学模拟的方法对修饰前后ELPs的构象以及温度诱导的构象变化进行表征，结果显示甲基丙烯酸基团的修饰增加了赖氨酸位点的疏水性相互作用并促进了温度诱导的蛋白结构收缩过程。

图3. 类弹性蛋白多肽修饰前后的分子建模及动力学模拟分析。

图3. 类弹性蛋白多肽修饰前后的分子建模及动力学模拟分析。

图4. ELPs及其衍生物赖氨酸位点的分子内相互作用变化。

4. 类弹性蛋白多肽的应用：温度敏感的水凝胶透光度调节材料及生物粘合剂材料

类弹性蛋白多肽的温度转变现象发生时，除了会出现絮凝以外，溶液也会从透明转变为乳白色，研究者受到双网络水凝胶构建过程的启发，将一种高溶胀度的透明质酸水凝胶浸泡在弹性蛋白的溶液中，随着溶胀过程的发生，弹性蛋白大量进入到透明质酸内部，形成复合体系。伴随着温度的升高，透明质酸水凝胶网络中互穿的自由弹性蛋白多肽链发生凝聚，复合体系从无色透明转变为乳白色不透明的双网络交联水凝胶，由于弹性蛋白多肽对温度的高敏感性，该体系可以在1-2秒内迅速对外界温度做出响应。同时，考虑到大多数甲基丙烯酸基团修饰的聚合物都有光诱导的共价交联能力，进而可以作为一种光交联水凝胶生物粘合剂，研究者也合成了不同修饰度以及不同浓度的甲基丙烯酸化类弹性蛋白多肽水凝胶，用作生物粘合剂，并对其生物相容性做了测试。

图5. 修饰后的类弹性蛋白多肽作为温度敏感性的水凝胶透光度调节材料。

图6. 修饰后的类弹性蛋白多肽作为生物粘合剂材料

结论

本文报道了一种基因工程类弹性蛋白多肽的合成及修饰方法，用于制备功能性的智能生物材料。研究者通过分子建模以及动力学模拟的方法对类弹性蛋白多肽修饰前后的构象以及分子内相互作用力变化进行了表征，随后对其潜在应用场景，包括温度敏感性的水凝胶透光度调节材料以及生物粘合剂材料进行了探索，最后对其体内，体外生物相容性进行了测试。这项工作为基于类弹性蛋白多肽的生物材料设计、分子建模、制造和应用提供了一定借鉴，为仿生类生物材料和组织工程带来了新的选择。

参考文献

Zhongwei Guo, Yuanyuan Xu, Lina Dong, Malav S.Desai, Jingjing Xia, Mujiao Liang, Seung-Wuk Lee, Shengli Mi, and Wei Sun. Designof functional hydrogels using smart polymer based on elastin-like polypeptides.Chemical Engineering Journal. 2022, 435, 135155.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135155

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