江南大教许菲：调解分解胶本卵白水凝胶布局和机器功能的设想计谋

【择要】

作为生物质料的紧张构成部门，胶原卵白为构造工程中的细胞粘赞同增殖提供了三维支架和生物学线索。最初在化脓性链球菌中发觉并在异源宿主中孕育发生的重组胶原卵白样卵白已被化学和基因工程改革用于生物质料应用。然而，现有的类胶原卵白不形成凝胶，限定了它们作为生物质料的有用性。

近来，江南大学许菲传授团队提出了一系列公道设计的类胶原卵白，由三聚化布局域、差别长度的三螺旋布局域和一对作为粘合末了毗连到 N 和 C 末了的异源三聚体卷曲螺旋序列构成。这些设计的卵白质折叠成三重螺旋并形成自支持凝胶。随着三螺旋域的延伸，凝胶变得不那么硬，孔径增添，布局各向异性低落。别的，细胞造就试验证明设计的卵白质是无细胞毒性的。这项研究为基于胶原卵白的生物质料提供了一种设计谋略。序列改变展现了卵白质一级布局和质料特性之间的干系，此中交联密度和联合能的改变界说了卵白质网络的凝胶化。相干论文以题为Design Strategies to Tune the Structural and Mechanical Properties of Synthetic Collagen Hydrogels颁发在《生物大分子》上。

【主图导读】

图 1. 卵白质的设计谋略和验证。测试了三种设计：E3-VB-K3、E3-VBB-K3 和 E3-VBBB-K3。卵白质的 (A) 序列和 (B) 二级布局的表示图。(C) 提出的分子间联系关系和自组装机制。凝胶电泳表征 (D) 用 NcoI 和 BamHI 酶消化重组质粒后核苷酸片断的长度和 (E) 卵白质的分子量。(F-I) 基质帮助激光解吸电离飞行时间 (MALDI-TOF) 质谱法表征卵白质的分子量。

图 2. 凝胶布局。(A-D) E3-VB-K3 的凝胶化通过颠倒小瓶和镊子操纵来测试。冻干后，凝胶的微观布局被切成 (B, C) 纵向和 (D) 横截面，并用扫描电子显微镜 (SEM) 观看。(E-H) E3-VBB-K3 的小瓶颠倒测试和 SEM，具有 (F, G) 纵向和 (H) 横截面，以及 (I-L) E3-VBBB-K3，具有 (J, K) 纵向和 (L) 横向横截面。因为 E3-VBB-K3 和 E3-VBBB-K3 凝胶的硬度低，它们不克不及用镊子处置惩罚。

图 3. 卵白质布局和稳健性。(A) CD 波长扫描和 (B) VB、E3-VB-K3、E3-VBB-K3 和 E3-VBBB-K3 在 10 mM 磷酸盐缓冲液 (pH 7.4) 中 1 mg/mL 的热变性曲线。

图 4. 10 mM 中浓度为 10 mg/mL 的设计胶原卵白 (A) VB、(B) E3-VB-K3、(C) E3-VBB-K3 和 (D) E3-VBBB-K3 的差示扫描量热法 磷酸盐缓冲液（pH 7.4）。

图 5. 粒度漫衍。设计的胶原卵白 (A) VB、(B) E3-VB-K3、(C) E3-VBB-K3 和 (D) E3-VBBB-的流体动力学半径(Rh)漫衍的动态光散射 (DLS) 丈量 K3 凌驾 48 小时。将样品在 10 mM 磷酸盐缓冲液中连结在 4 °C，浓度约为 1 mg/mL（pH 7.4）。每个子图的插图表现重要 Rh 峰（> 5% 体积强度）随时间的改变。在全部子图中，差别时间的Rh漫衍曲线如右图所示。

图 6. 微流变学。(A, D) E3-VB-K3、(B, E) E3-VBB-K3 和 (C, F) E3-VBBB-K3 卵白质溶液在 0.5 时的储存和丧失模量 G' 和 G" 和 1.6% (w/v) 在 10 mM 磷酸盐缓冲液 (pH 7.4) 中。顶行表现浓度为 0.5%，底行表现浓度为 1.6% (w/v)，但 E3-VBBB-K3 (F) 表现为 1.16% (w/v) 的饱和浓度。

图 7. 细胞在涂有设计胶原卵白的板上铺展。将 NIH/3T3 小鼠成纤维细胞接种并铺展在涂有自然 I 型胶原卵白（阳性对比）、VB、E3-VB-K3、E3-VBB-K3 和 E3-VBBB-K3 的构造造就板上，浓度为 1 、10 和 40 μg/mL，连续 24 小时。卵白质名称和浓度分别标志在图的左侧和顶部。细胞用 CFDA SE 和 Hoechst 染色，并用荧光显微镜观看。比例尺代表全部图像中的 100 μm。

图 8. 由差别 (A) 浓度和 (B) 造就时间的设计卵白质构成的底物上的相对细胞活力。样品名称标在右侧。测试自然 I 型胶原卵白（玄色）作为阳性对比。

【总结】

团队开辟了通过卵白质设计自构造成凝胶的重组胶原卵白。胶原卵白利用毗连到 Scl2 片断的 α-螺旋粘性末了的嵌合体，重组表达使卵白质质料的大范围和低本钱生产成为大概。这些设计的卵白质与自然胶原卵白相比具有几个长处，即批次间的同等性、易于遗传操纵，以及可用于承载给予生物功效（如整合素联合）的序列的模块化设计。细胞造就试验证明凝胶无细胞毒性，使其可用于三维细胞造就。

细胞情况的布局和机器特性影响细胞活力和运气。通过修改卵白质一级序列，团队可以在嵌合设计中调解质料特性，比方孔径、微观布局的各向异性、凝胶强度和含水量。 E3-VB-K3 形成具有各向异性微观布局的硬凝胶，由匀称的小孔构成。E3-VBBB-K3 形成了匀称的水凝胶，具有更多的多孔微布局和高 (> 98%) 的水含量。别的，观看到的各向异性微布局通常与由分子间相互作用和外力（如磁场和机器拉伸）诱导的聚合物的次序组装历程有关。团队设计的具有加长三螺旋布局域的胶原卵白彷佛可以进步碰撞概率、加快组装历程并粉碎分子的单轴取向。在 DLS 中，E3-VB-K3 随着时间的推移形成稳健的小颗粒和中等尺寸（~60 和~500 nm），而 E3-VBBB-K3 的粒径增添，范畴从~300 到~3000 nm。

参考文献：

doi.org/10.1021/acs.biomac.1c00520

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