3월 13일 Nature Communications에 발표 된 연구에 따르면 온도에 민감한 변화에 기반한 확장 가능한 단백질 처리기술을 통해 약물 전달 및 기타 생명공학 응용 분야에서 활용 가능한 고유한 미세 구조를 생성할 수 있으며 이 기술을통해 약물 전달을 효율적으로 만들어 줄 수 있고 보고 되었다.
복잡한 구조와 공간적으로 분리 된 영역을 가진 새로운 미세구조는 재료 과학 및 생명공학 응용 분야에 필요하다. 이러한 생체 적합성 미세 입자의 기능은 크기 및 모양, 내부미세 구조 및 구성 요소의 특성에 의해 결정된다. 현재 생체 적합성 미세 입자가 이러한 영역에서 사용되고 있지만, 이드른 종종 정교한 제조 기술을 필요로 하며 대부분은 중합체의 합성이나 생물학적으로 유 된 다당류로 구성된다.
다중 에멀전으로 구성 된 미세 유체에 의한 제조는 개별 오일 방울에 대한 엄격한 제어를 가능하게 하지만, 재료를 서로 완전히 분리시키는 데 어려움을 겪고 대규모 생산에 사용 될 수 없다. 대안적으로 패턴화 된 마스크를 통해 빛을 비추어 연질 재료에서 형상을 에칭하는 유동 리소그래피는 많은 입자를 빠르게 만들 수 있지만 복잡한 형상 및 내부 구조를 맞추기 어렵다.
따라서 안전하고 효율적인 방식으로 생산 된 대체 생물학적으로 관련 있는 재료를 기반으로 하는 새로운 마이크로 아키텍쳐가 크게 필요하다. 듀크대학의 생명공학자들이 힘을 합쳐 이러한 생물학적 물질을 개발했는데, 이 연구팀은 엘라스틴 유사 폴리펩티다와 부분적으로 정렬 된 단백질의 조합을 용하여 독특한 입자 형태를 만들었다.
엘라스틴-유사 폴리펩티드는 급격한 환경에서도 그들의 안정성을 유지하는 합성 된 바이오 폴리머이다. 이러한 무질서한 단백질은 제어될 수 있는 특특정 온도에서 이동이 가능하며, 물리적으로 가교된 다공성 점턴성 네트워크 형성을 유발한다 (Partially ordered proteins (POPs) integrate ELPs with ordered polyalanine helices. POPs exhibit thermal hysteresis -- the difference between transition temperatures defined during heating and cooling processes -- to trigger the formation of porous, physically crosslinked viscoelastic networks)
이 연구에서 연구원들은 두 가지 유형의 단백질질의 혼합물을 결합하여 단순한 액적 미세 유체와 단계적 가열 및 냉각을 사용하여 복잡한 미세구조를 만들어 냈다. 일련의 가열 단계를 통해 Elastin-like polypeptides (ELPs) 와 partially ordered proteins (POPs) 의 조합으로 인해 솔루션의 POP 네트워크에 ELP가 형성되었다. 온도 변화의 다른 세트에서, POP를 임계 온도 이상으로 가열하면, ELP 액적 주위에 물리적으로 가교 된 interconnected porous shells을 형성한다.
미세 구조의 안정성을 보호하기 위해, 자외선에 노출 될 때 비 천연 아미노산이 외부 가교제로 도입되었다. 균일 간격의 para-azidophenylalanine (pAzF) 잔기를 포함하는 xPOPs나 POP는 짧은 자외선 노출 후에 광 화학적로 반응하여 가열 동안 가교 결합을 형성하였다. 후속속 냉각은 비 천연 아미노산 POP와 같은 미세 입자를 재용햇해시키지 않는다. 많은 다음 단계의 공정을 거치는 경우, 종종 에멀전으로부터 POP미세 입자를 수수성 환경으로 추출하는 것이 필요하다. 이는 천연 아미노산을 사용한 간단한 탈유화 처리로 달성되었고, 이는 안정적인 비 응집 세 입자를 재 용해시키지 않는다.
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Abstract
The controllable production of microparticles with complex geometries is useful for a variety of applications in materials science and bioengineering. The formation of intricate microarchitectures typically requires sophisticated fabrication techniques such as flow lithography or multiple-emulsion microfluidics. By harnessing the molecular interactions of a set of artificial intrinsically disordered proteins (IDPs), we have created complex microparticle geometries, including porous particles, core-shell and hollow shell structures, and a unique ‘fruits-on-a-vine’ arrangement, by exploiting the metastable region of the phase diagram of thermally responsive IDPs within microdroplets. Through multi-site unnatural amino acid (UAA) incorporation, these protein microparticles can also be photo-crosslinked and stably extracted to an all-aqueous environment. This work expands the functional utility of artificial IDPs as well as the available microarchitectures of this class of biocompatible IDPs, with potential applications in drug delivery and tissue engineering.
복잡한 형상을 갖는 미세입자의 생산이 조절가능해 짐으로써 재료과학 및 생물 공학에 다양하게 응용하는데 유용하다. 복잡한 마이크로 아키텍처의 형상은 전형적으로 유동리소그래피 또는 다중-에멀전 마이크로 유체와 같은 정교한 제조 기술을 필요로 한다. intrinsically disordered proteins (IDPs)의 분자 상호 작용에 의해 microdroplets 내에서 열적으로 반응하는 IDP의 위상 다이아그램의 metastable 영역을 이용하여 porous particles, core-shell and hollow shell 구조 그리고 독특한 ‘fruits-on-a-vine’ 배열을 포함한 복잡한 미세 입자 구조를 만들었다. 다중 부위의 unnatural amino acid (UAA)의 혼입을 통해, 이들 단백질 미세 입자는 광-가교되고 모든 수성 환경으로 안정적으로 추출될 수 있다. 이 연구는는 인공 IDP의 기능적 유용성과의 종류와 생체 적합성 IDP의 이용 가능한 microarchitectures를 확장하고 약물 전달 및 조직 공학에 잠재적인 응용 가능성을 제공한다.