研究人员开发了一种用基于蛋白质的生化信息修饰生物聚合物的技术

　　想象一下，去外科医生那里把一个患病或受伤的器官换成一个功能齐全的、实验室培育的替代品。这仍然是科幻小说，而不是现实，因为今天的研究人员努力将细胞组织成复杂的3D排列，我们的身体可以自己掌握。

　　在实验室培育器官和组织的道路上，有两个主要的障碍需要克服。第一种方法是使用生物相容的3D支架，细胞可以在其中生长。第二种是用正确配置的生化信息来修饰支架，以触发所需器官或组织的形成。

　　华盛顿大学(University of Washington)的研究人员已经开发出一种技术，可以用影响细胞行为的基于蛋白质的生化信息来修饰天然存在的生物聚合物，这是将这一希望变为现实的重要一步。他们的方法发表在1月18日的《美国国家科学院院刊》上，该方法使用近红外激光触发蛋白质信息与由生物聚合物(如胶原蛋白)制成的支架的化学粘附，胶原蛋白是我们全身的结缔组织。

　　资深作者、华盛顿大学化学工程和生物工程副教授科尔·德福里斯特(Cole DeForest)表示，哺乳动物细胞对3D支架内粘附的蛋白质信号做出了预期的反应。这些生物支架上的蛋白质触发了细胞内影响细胞生长、信号传导和其他行为的信息传递途径的变化。

　　DeForest同时也是西华大学分子工程与科学研究所和西华大学干细胞与再生医学研究所的教员，他说，这些方法可以形成基于生物学的支架的基础，有朝一日可能使实验室培养的功能性组织成为现实。

　　DeForest在这个项目上的同事是第一作者Ivan Batalov，前华盛顿大学化学工程和生物工程博士后研究员，以及共同作者Kelly Stevens，华盛顿大学生物工程和实验室医学和病理学助理教授。

　　他们的方法是该领域的第一个，在空间上控制自然产生的生物材料内的细胞功能，而不是那些合成衍生的。包括DeForest在内的几个研究小组已经开发出基于光的方法，用蛋白质信号修饰合成支架。但天然生物聚合物可能是组织工程中更有吸引力的支架，因为它们天生具有细胞结构、通讯和其他目的所依赖的生化特性。

　　“像胶原蛋白这样的天然生物材料本身就包含许多与天然组织中发现的相同的信号提示，”DeForest说。“在许多情况下，这些类型的物质通过向细胞提供与它们在体内遇到的信号相似的信号，使细胞‘更快乐’。”

　　他们研究了两种生物聚合物:胶原蛋白和纤维蛋白(一种参与血液凝固的蛋白质)。他们将它们组装成充满液体的支架，即水凝胶。

　　该团队添加到水凝胶中的信号是蛋白质，这是细胞的主要信使之一。蛋白质有很多种形式，都有自己独特的化学性质。因此，研究人员设计了他们的系统，采用一种通用的机制将蛋白质附着在水凝胶上——两种化学基团，烷氧胺和醛之间的结合。在水凝胶组装之前，他们用烷氧胺基团修饰胶原蛋白或纤维蛋白前体，所有这些都用“笼子”进行物理阻塞，以防止烷氧胺过早反应。笼子可以用紫外线或近红外激光去除。

　　使用DeForest实验室先前开发的方法，研究人员还在他们想要附着在水凝胶上的蛋白质的一端安装了醛基团。然后，他们将携带醛的蛋白质与涂有烷氧胺的水凝胶结合，并使用短暂的光脉冲去除覆盖烷氧胺的笼子。暴露的烷氧胺很容易与蛋白质上的乙基反应，将它们拴在水凝胶中。该团队使用带有图案的面具，以及对激光扫描几何形状的改变，在水凝胶中创造出复杂的蛋白质排列图案——包括一个旧的华盛顿大学标志、西雅图的太空针塔、一个怪物和人类心脏的3D布局。

　　拴在一起的蛋白质功能齐全，可以向细胞传递所需的信号。当将大鼠肝细胞装载到含有促进细胞生长的EGF蛋白质的胶原水凝胶中时，会显示出DNA复制和细胞分裂的迹象。在另一项实验中，研究人员用一种叫做Delta-1的蛋白质图案装饰了一种纤维蛋白水凝胶，这种蛋白质激活了细胞中一个叫做Notch信号的特定途径。当他们将人类骨癌细胞引入水凝胶中时，Delta-1区域的细胞激活了Notch信号，而没有Delta-1区域的细胞则没有。

　　DeForest说，这些用多种生物支架和蛋白质信号进行的实验表明，他们的方法几乎适用于任何类型的蛋白质信号和生物材料系统。

　　他补充说:“现在我们可以开始制造具有许多不同信号的水凝胶支架，利用我们对响应特定蛋白质组合的细胞信号的理解，在时间和空间上调节关键的生物功能。”

　　将更复杂的信号加载到水凝胶上，科学家们就可以尝试控制干细胞分化，这是将科幻小说变成科学事实的关键一步。