设计丝绸蚕丝蛋白合金生物医用材料

Summary

勾兑是一种有效的方法来生成生物材料具有广泛的性能和功能相结合的。通过预测不同的天然丝蛋白之间的分子相互作用，新丝的丝蛋白合金平台具有可调的机械弹性，电响应，光学透明性，化学加工性，生物降解性，或热稳定性可以被设计。

Abstract

纤维蛋白显示已用于在生物医学领域的各种应用，例如生物传感器，纳米医学，组织再生，和药物递送不同的序列和结构。设计基于这些蛋白之间的分子级材料相互作用将有助于产生新的多功能蛋白生物材料的合金具有可调性。这种合金材料系统也由于材料的生物降解性，生物相容性，并在体内可维持提供相比于传统的合成聚合物的优点。本文所用的野生柞蚕丝（ 柞蚕 ）和国内桑蚕丝（ 家蚕 ）的蛋白质混合物，例如，提供有关这些主题，包括如何计算方法，如何产生蛋白质合金预测蛋白质-蛋白质相互作用有用的协议解决方案，如何通过热分析验证合金系统，以及如何制造可变合金材料包括光学材料，具有衍射光栅，电子材料用的电路的涂层，以及用于药物释放和递送的药物的材料。这些方法可以提供重要信息，根据不同的蛋白质的合金设计新一代多功能生物材料。

Introduction

大自然创造战略，以利用产生结构蛋白数量有限可调，多功能的生物基质。例如，弹性蛋白和胶原蛋白总是一起使用的体内 ，以提供所需的特定组织^1,2的可调节的优点和功能。这里的关键策略是混合。共混包括混合蛋白质与特定的比例，是一个技术的方法来生成具有可调和不同性质^3-5简单的材料系统。用合成的工程化策略^6,7相比，共混还可以提高材料的均匀性和对材料的过程中，由于操作方便^8-16的能力。因此，多功能的设计，生物相容性蛋白质合金材料是医学研究的一个新兴领域。此技术也将提供的天然蛋白基质的影响系统的知识上都在维生素细胞和组织的功能RO和体内 ^10,17。通过优化不同蛋白质之间的分子的接口，以蛋白质为基础的合金材料可以包括一系列的生理功能，例如在不同温度下的热稳定性，弹性，以支持不同的组织中，电灵敏度的可变机构，和光学性能用于角膜组织再生^{3， 18-27。}这些研究成果将提供一个新的蛋白质材料平台在生物医学科学领域有直接关系的调谐组织修复和疾病治疗，并进一步导致他们在那里新的治疗和诊断功能，可以预见³可生物降解的植入装置。

许多天然结构蛋白具有关键物理和生物活性性质，可以利用作为候选生物材料矩阵。不同虫种丝绸，角蛋白来自不同组织的毛发和羊毛，弹性蛋白和胶原蛋白，并各种植物蛋白是一些用于设计变....

Protocol

1，预测蛋白质相互作用

1. 蛋白质分子的生物信息学分析
   1. 访问国家生物技术信息中心网站（www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/），并搜索将要使用的合金研究的蛋白质的名称。注意:在这个例子中，两种蛋白质分别采用:蛋白A，它是野生柞蚕丝素蛋白，以及蛋白B，这是国内桑蚕丝心蛋白。对于A蛋白的氨基酸序列中可以找到"素[柞蚕] GenBank登录号:AAC32606.1"（ 柞蚕是中国（橡木）柞蚕蛾）。对于蛋白B，所述氨基酸序列中可以找到"心蛋白重链的前体[家蚕] NCBI参考序列:NP_001106733.1"和"心蛋白轻链的前体[家蚕] NCBI参考序列:NP_001037488.1"在一起（ 家蚕家蚕是桑树的家蚕）。
   2. 选择和SA已经将蛋白A和蛋白B从数据库中的氨基酸序列。
   3. 访问ExPASy网站（SIB生物信息学资源门户）（www.expasy.org），或使用其他的商业软件基于其序列包括计算基本生物信息学的蛋白质的数据，但不限于，每分子的总电荷，疏水性指数在分子中，分子在不同pH值滴定曲线等，这信息将被用作用于蛋白质相互作用的计算机模拟的基本元件，并且将有助于理解这两种蛋白质是否具有强的相互作用。 [注:这一步是不是准确预测像那些小肽和功能蛋白的科学使用的蛋白质相互作用的每一个细节。这部分的目的仅仅是为了避免产生蛋白质混合物具有明显的宏观相分离，这不能被称为一个"合金"的材料。因此，估计可能是近似的，但日E蛋白合金系....

Results

典型的蛋白质-蛋白质相互作用（ 例如 ，蛋白质A和蛋白质B之间）可能含有电荷-电荷（静电）景点，氢键形成，疏水-亲水相互作用，以及偶极子，溶剂，抗衡离子和特定的熵效应这两种蛋白质的结构域（ 图^2）3。因此，从根本上，我们可以预测这些互动通过计算机模拟的效果。

图2相互作用的蛋白A和蛋白B之间典型地，这些相互作用可以基于电荷-电荷（静电）景点，氢键形成，或者这两种蛋白质的特定结构域之间的疏水-亲水相互作用。

蛋白质 - 合金系统可模拟为一种交联的蛋白质亚合金结构域，其中每个子合金被认为是稳定的组成的材料。蛋白质（A和B）之间的相互作用可以被认.......

Discussion

一种生产"合金"蛋白系统中最关键的步骤是，以验证混合蛋白质的混溶性。否则，它是唯一的一个不混溶的蛋白混合物或蛋白质没有稳定和调谐性能的复合系统。实验热分析法可用于该目的，并确认其合金的特性。蛋白质-蛋白质相互作用可以根据弗洛里-哈金斯的晶格模型⁴⁸为"溶剂"（主要的蛋白成分）之间的相互作用和"溶质"（次要蛋白成分）来查看。基于该模型中，"溶剂"和"溶质"之间的混合过程中的自由能的变化支配的共混物⁴⁸的混溶性。通常，有三种不同程度的可混溶性的:（1）完全互溶（表1相材料宏观上），（二）亚稳态（在材料中形式的半溶混相），和（C）不互溶（保持原来的两阶段个别蛋白A和B域^）3,48。相应地，两个蛋白的系统可以显示出这些差异，理想的玻璃化转变行为可以利用相图模型（ 图6）来表示。例如，如果蛋白质A和B具有其各自的单一的玻璃化转变温度，T _克 （A）和T _克 （B），分别为（ 图6中的绿色和蓝色曲线），一个完全混溶的蛋白质合金体系应显示只有一个玻璃化转变在加热。这种单一的玻.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Q100 差示扫描量热仪 （DSC）	TA 仪器，美国特拉华州纽卡斯尔	N/A	您可以使用任何类型的 DSC 和软件来计算热容。
SS30T 真空溅射设备	T-M Vacuum Products， Inc.， Cinnaminson， NJ， USA	N/A	使用定制零件;您可以使用任何类型的溅射系统进行镀膜。
VWR 1415M 真空烘箱	VWR International， Bridgeport， NJ， USA	N/A	您可以使用任何类型的真空烘箱对样品进行物理交联。