创新技术定制活性材料以增强组织工程、药物递送和3D打印

这一发现发表在《ACS合成生物学》特刊中，强调了对蛋白质基质的修改——这些蛋白质网络赋予了ELMs其形状。研究团队发现，通过进行轻微的基因调整，他们能够显著改变这些材料的行为。这一突破可能会在组织工程、药物输送，甚至 3D 打印活设备等领域带来改善。

研究的首席作者、生命科学教授卡罗琳·阿乔-富兰克林（Caroline Ajo-Franklin）表示：“我们正在设计细胞，以开发具有独特特性的可定制材料。虽然合成生物学提供了修改这些属性的工具，但基因序列、材料结构和行为之间的关系在此之前仍然 largely 未被探索。”

研究团队利用合成生物学的技术研究了一种名为弯曲体（Caulobacter crescentus）的细菌。早期的研究人员在实验室中对细菌进行改造，使其生产一种名为BUD的蛋白质（即“自下而上重新合成”的缩写），这一蛋白质使细胞能够结合并形成支撑基质。这一创新使得细菌能够开发出厘米级别的结构，称为BUD-ELMs。

在这一工程策略下，研究人员调整了被称为弹性蛋白样多肽（ELPs）的某些蛋白质片段的长度以生成新材料。他们对初始的中等长度BUD-ELM和两个新变体进行了表征，揭示了每个变体都表现出不同的特性。第一个材料称为BUD₄₀，具有最短的ELPs，导致更厚的纤维和更硬的材料。第二个材料BUD₆₀，具有中等长度的ELPs，由小球和纤维的混合体组成，在变形振荡应力下表现出最强的强度。最后，BUD₈₀，拥有最长的ELPs，产生较细的纤维，导致材料刚性较低，更容易在受到应力时断裂。

先进的成像和机械评估表明，这些差异并非表面现象——它们影响了材料在压力下的应对和表现。例如，BUD₆₀能够承受更大的力量，并能更有效地适应环境变化，非常适合用于3D打印或药物输送等应用。

这三种材料共享两个特征：它们表现出剪切稀释行为，并保留了大量水分——约占其重量的93%——这使它们理想用于生物医学应用，例如组织工程中细胞生长的支架或控制药物释放的系统。

生物科学研究生和该研究的第一作者埃丝特·希门尼斯（Esther Jimenez）解释说：“这项研究是首次强调从头构建具有定制机械性质的活材料，而不仅仅是添加生物功能。通过对蛋白质序列进行小的调整，我们获得了设计具有特定机械特性的材料的重要见解。”

潜在的应用不仅限于生物医学，这些自组装材料还可能被改编用于环境修复或可再生能源项目，例如创建可生物降解结构或利用自然过程进行能源生产。

高年级生物科学专业学生、该研究的合著者卡尔森·阮（Carlson Nguyen）表示：“这项研究强调了理解序列-结构-性质联系的重要性。通过认识到某些基因变化如何影响材料属性，我们正在为下一代活材料的创造奠定基础。”

本研究得到了国家科学基金会研究生研究奖学金、德克萨斯癌症预防与研究所以及威尔士基金会的支持。