莱斯大学研究人员开发定制工程生物材料，为3D打印生物结构打开新大门

2025年2月6日，南极熊获悉，莱斯大学的研究团队揭示了一种新的定制工程生物材料（ELM）的序列-结构-属性关系，能够更精确地控制材料的结构及其对变形力（如拉伸或压缩）的响应。ELM材料可以通过3D打印技术制造复杂的生物结构，适用于多种应用，使其成为3D打印的理想材料选择。

△从左到右：Caroline Ajo-Franklin、Carlson Nguyen 和 Esther Jimenez。来源：莱斯大学。

这项研究以题为“Genetically Modifying theProtein Matrix of Macroscopic Living Materials to Control Their Structure andRheological Properties”的论文发表在《ACS 合成生物学》特刊上，重点关注改变蛋白质基质，即为工程生物材料提供结构的蛋白质网络。通过引入微小的基因变化，研究小组发现他们可以显著改变这些材料的行为方式。这些发现可能为组织工程、药物输送和生物设备 3D 打印的进步打开新的大门。

△论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssynbio.4c00336

莱斯大学生物科学教授、这项研究的通讯作者 CarolineAjo-Franklin 说道：“我们正在改造细胞，以创建具有独特属性的可定制材料。虽然合成生物学为我们提供了调整这些属性的工具，但基因序列、材料结构和行为之间的联系至今仍未被探索。”

研究团队利用合成生物学技术，研究了一种名为 Caulobactercrescentus 的细菌。实验室以前的成员对这种细菌进行了改造，使其产生一种名为 BUD（“自下而上从头开始”的缩写）的蛋白质，这种蛋白质可以帮助细胞粘在一起并形成支撑基质。这使得细菌能够长成厘米大小的结构，被称为 BUD-ELM。

莱斯大学的研究人员定制了工程生物材料——为生物设备的 3D 打印进步打开了大门。采用这种工程方法，研究人员改变了特定蛋白质片段（称为弹性蛋白样多肽 (ELP)）的长度，并创造了新材料。该团队对原始的中长 BUD-ELM 和两种新变体进行了表征，发现每种变体都表现出不同的特性。第一种材料称为 BUD40，具有最短的 ELP，并形成更厚的纤维，从而产生更硬的块体材料。第二种材料 BUD60 具有中等长度的 ELP，并形成了球状物和纤维的组合，在变形振荡应力下产生了最强的材料。最后，具有最长 ELP 的 BUD80 产生了更细的纤维，从而产生了一种不太坚硬的材料，在变形应力下容易断裂。

先进的成像和机械测试表明，这些差异不仅仅是外观上的——它们还影响材料处理压力和在压力下流动的方式。例如，BUD60 可以承受更大的力，更好地适应环境变化——使其成为 3D 打印或药物输送等应用的理想选择。

这三种材料有两个共同点：它们表现出剪切稀化行为并且含有大量水分（约占其重量的93%），这使得它们非常适合生物医学用途，例如在组织工程中支持细胞生长的支架或以受控方式输送药物的系统。

生物科学研究生、该研究的第一作者 Esther Jimenez 说道：“这项研究是首批专注于从头开始构建具有定制机械性能的活体材料，而不仅仅是添加生物功能的研究之一。通过对蛋白质序列进行细微调整，我们获得了关于如何设计具有特定机械性能的材料的宝贵见解。”

ELM材料的潜在用途不仅限于生物医学领域；这些自组装材料可以用于环境清理或可再生能源应用，如建造可生物降解的结构或利用自然过程来产生能量。

莱斯大学生物科学专业大四学生、这项研究的第二作者 Carlson Nguyen 说：“这项研究强调了理解序列-结构-性质关系的重要性。通过确定特定的基因修饰如何影响材料性质，我们正在为设计下一代生物材料奠定基础。”

这项研究得到了美国国家科学基金会研究生奖学金、德克萨斯州癌症预防与研究机构以及韦尔奇基金会的支持。