萊斯大學研究人員開發(fā)定制工程生物材料，為3D打印生物結構打開新大門

2025年2月6日，南極熊獲悉，萊斯大學的研究團隊揭示了一種新的定制工程生物材料（ELM）的序列-結構-屬性關系，能夠更精確地控制材料的結構及其對變形力（如拉伸或壓縮）的響應。ELM材料可以通過3D打印技術制造復雜的生物結構，適用于多種應用，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。

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》特刊上，重點關注改變蛋白質基質，即為工程生物材料提供結構的蛋白質網絡。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、藥物輸送和生物設備 3D 打印的進步打開新的大門。

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

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

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

萊斯大學的研究人員定制了工程生物材料——為生物設備的 3D 打印進步打開了大門。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。該團隊對原始的中長 BUD-ELM 和兩種新變體進行了表征，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，在變形振蕩應力下產生了最強的材料。最后，具有最長 ELP 的 BUD80 產生了更細的纖維，從而產生了一種不太堅硬的材料，在變形應力下容易斷裂。

先進的成像和機械測試表明，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，更好地適應環(huán)境變化——使其成為 3D 打印或藥物輸送等應用的理想選擇。

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)學用途，例如在組織工程中支持細胞生長的支架或以受控方式輸送藥物的系統(tǒng)。

生物科學研究生、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建具有定制機械性能的活體材料，而不僅僅是添加生物功能的研究之一。通過對蛋白質序列進行細微調整，我們獲得了關于如何設計具有特定機械性能的材料的寶貴見解。”

ELM材料的潛在用途不僅限于生物醫(yī)學領域；這些自組裝材料可以用于環(huán)境清理或可再生能源應用，如建造可生物降解的結構或利用自然過程來產生能量。

萊斯大學生物科學專業(yè)大四學生、這項研究的第二作者 Carlson Nguyen 說：“這項研究強調了理解序列-結構-性質關系的重要性。通過確定特定的基因修飾如何影響材料性質，我們正在為設計下一代生物材料奠定基礎�！�

這項研究得到了美國國家科學基金會研究生獎學金、德克薩斯州癌癥預防與研究機構以及韋爾奇基金會的支持。