Как сделать белку из природного материала: Как сделать белку из природного материала?

Содержание

Поделки из природного материала: белочки из орехов

Простые детские поделки из природного материала своими руками в детском саду и дома: белочки из лесных орехов и пластилина.

Из заготовленного осенью природного материала можно круглый год делать с детьми различные поделки. Особенно это актуально осенью и зимой, т.к. с наступлением дождливой погоды и холодов дети больше времени проводят дома, чем весной и летом.

Поделка белочка из лесных орехов не займет много времени и при этом получается очень симпатичной.

Мы с дочкой сделали двух белочек: одну с использованием пластилина, другую, пушистенькую, с использованием шерсти для валяния.

Поделка белочка из лесных орехов и пластилина

Для изготовления этой поделки понадобятся:

  • 2 лесных ореха (фундук),
  • коричневый пластилин.

Орехи можно взять одинакового или разного размера.

Как сделать поделку белочку из лесных орехов и пластилина

  1. К острой части ореха, который будет туловищем белочки, приложить кусочек пластилина и немного размазать его по верхней части ореха со всех сторон. Приклеить к пластилину второй орех – голову белочки.
  2. Скатать из пластилина 4 шарика одинакового размера, из них скатать колбаски. Это будут лапки.
  3. Скатать из пластилина 2 шарика одинакового размера (немного меньше, чем для лапок). Придать им треугольную форму, надавливая большим и указательным пальцем и поворачивая. Это ушки.
  4. Из оставшегося пластилина вначале скатать шарик, потом раскатать его колбаской, нажимая сильнее с одной и той же стороны, чтобы получилось похоже на сильно вытянутую каплю. Это хвост.
  5. Прикрепить уши к голове белочки, а лапы и хвост – к туловищу.
  6. Нарисовать перманентным маркером глазки, носик и усы.

Поделка белочка из лесных орехов и шерсти для валяния

Для изготовления этой поделки понадобятся:

  • 2 лесных ореха (фундук),
  • светло-коричневая шерсть для валяния,
  • клей “ПВА”, клейстер или мусс для укладки волос,
  • клей “Секунда” или клей-пистолет.

Как сделать поделку белочку из лесных орехов и шерсти для валяния

  1. Скрепить орехи друг с другом с помощью клея или пластилина (как в предыдущем варианте).
  2. Для того, чтобы сделать белочке лапки, уши и хвост, кусочки шерсти нужной длины и толщины сложить петельками.
    Края скрутить и обмакнуть в клейстер (вместо клейстера модно использовать разбавленный водой клей “ПВА” или мусс для укладки волос. Обмакивать только скрученные края, чтобы они не раскрутились и держали форму. Дождаться высыхания.
  3. Приклеить лапы, хвост и уши клеем к туловищу и голове белочки.
  4. Нарисовать перманентным маркером глазки, носик и усы.

Посадила дочка одну из белочек в ладошку и говорит: “Мам, если белочку пошевелить, кажется, как будто у нее сердечко стучит, как у живой!” Это ядрышко ореха внутри так звучит 😉

Предлагаю посмотреть другие статьи о поделках из природного материала.

Приятного Вам творчества! Специально для читателей блога “MORE творческих идей для детей” (https://moreidey.ru), с искренним уважением, Юлия Шерстюк

Всего доброго! Если материалы сайта были Вам полезны, пожалуйста, поделитесь ссылкой на них в соцсетях – Вы очень поможете развитию сайта.

Размещение материалов сайта (изображений и текста) на других ресурсах без письменного разрешения автора запрещено и преследуется по закону.

своими руками из шишек, бумаги и пластилина

Белка – невероятно красивая попрыгушка из отряда грызунов известна абсолютно всем еще с самого раннего детства. Белки являются главными героинями многочисленных русских народных сказок и детских мультипликационных фильмов, о ней сочиняют стихи и придумывают загадки, разучивают песни и пословицы.

Сложно ответить на вопрос, почему именно белки так любимы и обожаемы всеми. Возможно из-за милой внешности и роскошного хвоста, а быть может благодаря своему активному поведению и интересным повадкам.

В любом случае, вашего ребенка важно познакомить с этим очаровательным зверьком. И новостной портал «Vtemu.by» в этой статье подготовил для Вас несколько не сложных фото мастер классов по изготовлению детских поделок белок. В качестве материалов в поделках будут использованы: пластилин, шишки, бумага, картонные рулоны от туалетной бумаги и т.д.

 

Белка поделка

Для изготовления такого забавного зверька, белки, Вам будет необходим картонный рулон от туалетной бумаги, цветная бумага, ножницы и клей.

Верхнюю часть картонного рулона необходимо сложить, чтобы получились ушки у будущей белочки.

Из цветной бумаги необходимо вырезать широкую длинную полоску и закрутить ее. Готовую полоску приклеить к картонной трубке – это будет хвост белки.

Из цветной бумаги так же вырежьте четыре лапки и мордочку. Приклейте все детали к картонной трубке. Не забудьте про носик и глазки.

 

Белочка из картонной втулки

Поделка Белочка своими руками — мастер класс

 

Белка из шишек поделка

Поделка белка из природного материала

Очень здорово смотрятся поделки из природного материала, а такая милашка белочка с пушистым хвостом в особенности.

Из пластилина вылепите тело, голову и лапки. Приклейте глазки и вылепите ушки. А хвост сделайте из большой шишки.

 

 

Белка поделка своими руками

Для изготовления таких милых бумажных белочек Вам будет необходим  готовый шаблон (его мы прилагаем чуть ниже), цветные карандаши, ножницы и картонная трубка от туалетной бумаги.

Распечатайте готовый шаблон белки, аккуратно вырежьте все детали. Картонный рулон от туалетной бумаги разрежьте по диагонали, сделайте вертикальный надрез в самой высокой части.

Саму бумажную белку помещаем в сделанный разрез. По бокам картонной трубки приклеиваем лапки.

При необходимости разукрашиваем поделку карандашами.

 

 

 

 

Осенняя поделка Белка

И еще одна поделка и на этот раз объемная.

Распечатайте готовый шаблон, сложите по пунктирным линиям и разукрасьте. Объемная белка готова!

Объемная поделка белка из бумаги и природного материала

Осенние поделки своими руками можно сделать из самых разных вещей. Однако более прочными и долговечными получаются поделки из шишек, орехов и веточек деревьев; используемые для этой цели овощи и фрукты имеют гораздо меньший срок хранения и быстро теряют свой вид.

Достаточно иметь в распоряжении один крупный грецкий орех, чтобы создать очаровательного осеннего персонажа – к примеру, белку.

Объемная поделка белка из бумаги и природного материала

Мы хотим рассказать, как сделать белку своими руками из картонного рулончика и орешка.

Что понадобится:

  • крупный ровный грецкий орех;
  • картонный тубус с узким диаметром – к примеру, от пищевой пленки или фольги;
  • салфетки;
  • кусочек белого меха;
  • глазки для игрушек;
  • картон и фольга или фольгинированный картон;
  • кусочки замши или кожи коричневого или рыжего цвета;
  • полимерный клей;
  • ножницы;
  • карандаш;
  • черная бусина, кусочек черной кожи или картона;
  • засохшая в виде шапочки шкурка мандарина.
Материалы для поделки

Приступаем.

Картонный рулончик обрезаем до нужной нам длины – это будет корпус зверушки.

Вставляем салфетку в рулонНаносим на салфетку клей

Плотно набиваем его салфетками, к которым клеем фиксируем грецкий орешек – как головку.

Объемная поделка белка 4

К головке приклеиваем глазки и носик. Чтобы они лучше фиксировались, можно сделать прослойку из кусочка салфетки.

Глазки и носик

Из замши вырезаем маленькие ушки, клеим их на верхнюю часть головы, а кончики прикрываем мандариновой шапочкой. Можно украсить головку засохшим цветочком или листиком – что имеется в наличии.

Ушки и шапочка

Из картона вырезаем задние лапки. Чтобы они смотрелись наряднее, сверху приклеиваем слой фольги. Если используется фольгинированный картон, просто вырезаем из него лапки и клеим по бокам от корпуса белки.

Вырезаем лапки

Вдоль спинки приклеиваем кусочек меха – как хвостик.

Хвостик

Из оставшейся замши делаем передние лапки, клеим их над задними.

Передние лапкиПриклеиваем лапки

Готово!

Белочка из картонного рулона и природного материала

Такая объемная поделка белка из бумаги и природного материала станет достойным участником любой выставки детских осенних работ и украшением класса или группы.

Поделки из шишек | Поделки своими руками и игры для детей

Наступила осень, а значит, стали актуальными поделки из природного материала. Откроют новый творческий сезон поделки из шишек.

Собираем и исследуем шишки

Собирая природный материал, не забываем рассказывать ребенку, что есть что. Что можно рассказать о шишках?

  • шишки бывают разные: еловые, сосновые, лиственничные, кедровые, ольховые и другие;

На левом фото ниже — маленькая шишка секвойи вечнозеленой и большая — сосны Ламберта, на правом — ольхи.

  • между чешуйками хранятся семена с крылышками или орешки, в зависимости от того, с какого дерева шишка
  • семенами шишек сосны и ели в момент их созревания и раскрытия питаются почти все птицы, но особенно любят шишки дятлы, клесты, белки, бурундуки, мыши, полевки и другие грызуны. Исследуйте характерные следы деятельности разных животных:

Шишки, семена из которых съедены: а, б — белкой; е, г — лесными мышами; д — большим пестрым дятлом

  • сосновая шишка — природный гигрометр: во влажную погоду шишка закрывает свои чешуйки, а в сухую — открывает. Проведите с ребенком эксперимент по измерению влажности воздуха.

Поделки из шишек

Для изготовления поделок из шишек запасемся пластилином, кусачками, красками, цветной бумагой, клеем, а также другим природным материалом. Шишки обычно используют в качестве пушистого или оперенного туловища животного, его хвоста или головы. Для некоторых поделок достаточно одних только шишек — можно сделать лисичку, совят, вазу или венок. Но если добавить немного желудей, сухих листьев, хвои, скорлупок, ниток, перьев то сотворить можно практически все, что угодно. Вместо глазок можно использовать дольки гороха, черный горошек, шляпки от желудей, блестки, бусинки, для лапок и рожек можно взять веточки, спички, синельную проволоку, для птичьих хвостов — перышки, колоски, цветные нитки. Небольшая подборка идей из интернета для вдохновения (все фото увеличиваются):

Из шишек также получаются необычные сезонные предметы интерьера, такие как венки, вазы, панно, подсвечники, украшения на окна, елочные игрушки, топиарии. За основу венка можно взять готовое пенопластовое кольцо, вырезать круг из картона или использовать старые пяльца. Для крепления шишек используется проволока или клеящий пистолет.

Шишку можно использовать как целую, так и какую-то часть, а можно только чешуйки. Особенно мне понравилась идея, где из срезанных верхушек шишек получились цветы:

Источник todaysfabulousfinds.blogspot.com.

И завершают эту подборку несколько абсолютно очаровательных поделок: симпатичная белочка, совята с мягкими животиками, шишечная мандала и шишка не из шишек, а из конфет, но мимо не смогла пройти 🙂

Успешного творчества и до новых встреч!:)

Также посмотрите наши статьи, как правильно собрать гербарий и красиво раскрасить пряники на осенние праздники!

Поделиться в соц. сетях

Поделка белка – Год 2020 Белой Металлической Крысы

 

Объемная поделка белка из бумаги и природного материала

Осенние поделки своими руками можно сделать из самых разных вещей. Однако более прочными и долговечными получаются поделки из шишек, орехов и веточек деревьев; используемые для этой цели овощи и фрукты имеют гораздо меньший срок хранения и быстро теряют свой вид.

Достаточно иметь в распоряжении один крупный грецкий орех, чтобы создать очаровательного осеннего персонажа – к примеру, белку.

Объемная поделка белка из бумаги и природного материала

Мы хотим рассказать, как сделать белку своими руками из картонного рулончика и орешка.

  • крупный ровный грецкий орех;
  • картонный тубус с узким диаметром – к примеру, от пищевой пленки или фольги;
  • салфетки;
  • кусочек белого меха;
  • глазки для игрушек;
  • картон и фольга или фольгинированный картон;
  • кусочки замши или кожи коричневого или рыжего цвета;
  • полимерный клей;
  • ножницы;
  • карандаш;
  • черная бусина, кусочек черной кожи или картона;
  • засохшая в виде шапочки шкурка мандарина.

Материалы для поделки

Картонный рулончик обрезаем до нужной нам длины – это будет корпус зверушки.

Вставляем салфетку в рулон

Наносим на салфетку клей

Плотно набиваем его салфетками, к которым клеем фиксируем грецкий орешек – как головку.

Объемная поделка белка 4

К головке приклеиваем глазки и носик. Чтобы они лучше фиксировались, можно сделать прослойку из кусочка салфетки.

Из замши вырезаем маленькие ушки, клеим их на верхнюю часть головы, а кончики прикрываем мандариновой шапочкой. Можно украсить головку засохшим цветочком или листиком – что имеется в наличии.

Из картона вырезаем задние лапки. Чтобы они смотрелись наряднее, сверху приклеиваем слой фольги. Если используется фольгинированный картон, просто вырезаем из него лапки и клеим по бокам от корпуса белки.

Вдоль спинки приклеиваем кусочек меха – как хвостик.

Из оставшейся замши делаем передние лапки, клеим их над задними.

Белочка из картонного рулона и природного материала

Такая объемная поделка белка из бумаги и природного материала станет достойным участником любой выставки детских осенних работ и украшением класса или группы.

Поделка белка


Белка поделка для детей. Как сделать белку из природного материала?

Источник: montessoriself.ru

 

Осенняя поделка из крупы “Белка”

Еще одна интересная аппликация на наш конкурс – поделка из крупы “Белка”.

“Меня зовут

Мурашова Людмила Владимировна, работаю в МБОУ ДОД “ЦД(Ю)ТТ №2″ педагогом дополнительного образования. Я считаю, что осень – очень красивое время года. Осенью природа как никогда щедра на подарки. В это время все собирают урожай зерновых культур. Можно собрать все эти осенние подарки и сделать из них красивую поделку, которая всю зиму будет напоминать нам об этом чудесном времени. Представляю осеннюю поделку из крупы “Белка”.

• Картон любого цвета;

• Крупа: горох, 2 арбузных семечки, гречка, рис, манная крупа;

• Шаблон с рисунком белки.

На картон положили копировальную бумагу, затем сверху шаблон с рисунком белки. Обвели карандашом все линии.

Приклеили на место глаза и носа 2 арбузных семечки, шишку обклеили горохом, контур выложили рисом.

Затем манной крупой заполнили контур живота, вокруг глаза и кончик хвоста.

Постепенно обклеиваем тело белки гречкой.

Клеим ствол дерева манной крупой.

Когда подсохнет клей, раскрашиваем манку краской.

Примечание: если заменить гречку пшеном,а затем раскрасить пшено оранжевой краской, можно создать рыжую белку.”

Новая работа на наш конкурс “Все краски осени” от Ефремовой Юлии Александровны из Казани -.

Работа на наш осенний конкурс от Юлии Ильиной – аппликация из фетра. Юлия уже участвовала в новогодн.

Еще три конкурсные работы от Даши, Таси и Татьяны Васюковых. Бумажная аппликация “Урожайная Ос.

Виктория Золотая и ее ученицы продолжают удивлять нас необычными конкурсными работами. На этот раз -.

Еще одна работа от постоянных участников наших конкурсов из города Краматорска – Ольги Шевцовой с до.

Продолжаем знакомить вас с конкурсными работами. Новый участник – воспитатель МАДОУ «Радость» д/с №.

Аппликации, крючком, для мальчика Очень многие любят вязать различные аппликации для детей. Вязаной.

Продолжаем тему аппликаций крючком. На дворе уже осень, поэтому мы предлагаем увековечить недолгую к.

Обсуждение: оставлено 8 коммент.

Работа получилась объемная за счет использования круп! Спасибо за интересную работу. =)

Может стоило бы поместить работу под стекло или в файл, чтобы не осыпалась?

Юля написала, что картина получилась объемной, за счет круп, так оно и есть, поэтому под стекло просто нереально ее вставить, крупа будут мешать, или надо специально заказывать рамку, а вот покрыть бесцветным лаком не мешало, это придаст картине и блеск и она будет устойчива к осыпанию. Так я по крайней мере делала с детьми. И еще одно маленькое дополнение картину из круп,лучше рисовать, уже окрашенными крупами, она меньше деформируется при работе на бумаге, а вот если рисовать на стекле, можно и окрашивать уже готовую работу. Спасибо вам за работу, удачи.

Аппликация крупой на стекле? Ни разу не видела. Это имеется в виду посуда какая-то?

Да, Лариса. Это может баночка, бутылка, или даже чашка. У меня училась очень талантливая девочка, она рисовала на баночках, целые картины именно картины, а не отдельные элементы. Посмотрю, может быть найду ее фотографию, но не обещаю точно, прошло очень много времени.

Целые картины можно делать и на обычном стекле, например, куски оконного стекла (конечно, ровно обрезанные), стекло из старого серванта, например.

Сначала сделать рисунок карандашом на бумаге по размеру стекла, положить под стекло лист с рисунком, обвести контур рисунка, например, контуром для витража (продаётся в художественных магазинах), а затем уже смазывать участки будущей картины клеем и выкладывать раскрашенную заранее крупу, как мозаику (так можно выкладывать крупинки в разных направлениях и задавать этим как бы направление “штрихов”). А затем готовую картину закрепить лаком, можно использовать самый дешёвый лак для волос сильной фиксации, это и придаст картине блеск, законченность и закрепит “мозаику”.

Мне очень понравилась белочка, особенно из пшена. Яркая такая.А чтобы все приклеить, сколько нужно кропотливой работы проделать!

Пшено клеить легче всего, оно же мелкое и круглое им “штрихов”, как, например, гречкой, не сделаешь. Достаточно намазать участок будущей картины клеем и посыпать на него пшено, когда клей подсохнет, аккуратно стряхнуть неприклеившиеся крупинки – и ВСЁ!

Осенняя поделка из крупы – Белка


Еще одна интересная аппликация на наш конкурс – поделка из крупы Белка.

Источник: podelki-doma.ru

 

Как сделать белку из природного материала?

Белка из природного материала.

Как сделать белку из природного материала своими руками?

Как сделать подделку белку из природных материалов своими руками?

Вот такую потешную белку можно сделать из одной шишки, помпона от старой шапки и нескольких кусочков меха.

  1. Приклеиваем помпон к шишке, он будет головой нашей будущей поделки, шишка – ее телом. Глазки и нос можно сделать из старых пуговиц.
  2. Возьмем 4 проволочки или веточки, скрепим их посередине в виде буквы V, приклеим мех, это будут уши нашей белки.
  3. Хвост, руки, ноги делаем по той же технологии.
  4. Для довершения образа помещаем в ее руки желудь или несколько сушеных грибов (их можно предварительно надеть на ниточку). Все, наша белка готова – ее можно повесить на елку или просто использовать для украшения интерьера.

Сделать Белку из шишишек такую же, как представлена на вашей картинке , будет достаточно сложно без специальных знанийЮ навыков и инструментов, поскольку там применяются не целые шишки, а вырезанные с изгибом. Я предлагаю вам другие варианты создания игрушки – поделки Белка из природных материалов:

Белку как на фотографии выше можно сделать, слепив из пластелина всю фигурку, затем, подобрав нужные семена , воткнуть их в пластилин, покрыть ими всю скульптуру. Хвостик сделать из волокна, или подходящего сухого растения. Хвост можно сделать на проволочном каркасе, чтобы легко можно было его изогнуть в нужной конфигурации. Приклеить клеем момент.

Белку из орешков легко сделать вместе с детьми. Если поделка не обязательно должна быть прочной, то склейте детали пластилином. Подробно о том, как лучше склеивать детали поделок из природного материала , я писала здесь.

Эту белку из природных материалов тоже легко сделать с детьми , подобрав нужного размера шишки, хвостик можно сделать из пучка сухих сосновых иголок или из сухих трав.

А рисунок на фотографии ниже можно использовать как основу для создания композиции из оранжевой чечевицы, зерен кукурузы, из гороха. Переведите картинку на картон, аккуратно намажте внутри рисунка клеем, засыпьте зерна, подравняйте, ровным слоем распределите, дайте высохнуть клею. Все лишнее осыпется само после высыхания. Картина с белкой готова!

Белочку можно сделать либо из орехов, либо из шишек, либо из листьев. Предлагаю вам самый простой вариант – из шишек.

Возьмите за основу подходящую картинку и приступайте к делу.

Я предлагаю следующий вариант:

Как видно из картинки, вам понадобится оранжевый, белый и черный пластилин, а также 3 шишки.

При помощи пластилина соедините шишки так, чтобы у вам получились голова, тело и хвост. Как только сама основа будет готова, то можете приступить к формированию ушек, мордочки и лапок зверька.

Если поделку нужно нести в садик или школу, то поместите ее на листик, предложим, клена, затем на картон.

Как по мне, то поделка смотрится симпатично, только вот в качестве хвоста можно взять шишку покрупнее.

Кстати, поделку можно и украсить, например, в лапки животному вложить орешек или ягодки.

Белочку можно сделать из шишек или очищенных кукурузных початков. Примерная схема на фото. Для туловища нужно выбирать шишку менее раскрывшуюся, чем берется для изготовления хвоста. Обе шишки рекомендуется брать изогнутые.

В шишке для туловища сверлятся отверстия для шеи, хвоста, лап, и с помощью палочек на клею прикрепляют к туловищу. Для изготовления головы берется нераскрывшаяся шишка или орех. Вот такой вариант изготовления белки из природных материалов.

Как сделать белку из природного материала?


Вот такую потешную белку можно сделать из одной шишки, помпона от старой шапки и нескольких кусочков меха. Итак, Приклеиваем помпон к шишке, он будет головой нашей будущей поделки, шишка – ее телом

Источник: www.bolshoyvopros.ru

 

поделка. Как изготовить белку из шишек?

Дети очень любят работать с природными материалами. Поэтому после прогулки в сосновом лесу может получиться прекрасная белка из шишек. Поделка эта изготавливается различными способами. Здесь будут рассматриваться некоторые из них.

Инструкция по подготовке природного материала для поделки

Подобрать шишки для изготовления белочки процесс простой, но требующий внимательного взгляда. Казалось бы, чего проще: ходи по лесу, наслаждайся общением с природой и между делом собирай себе материал для рукоделия.

Однако следует помнить, что не все шишки одинаково подходят для творчества. Из гнилых и повреждённых, например, вряд ли получится что-то хорошее.

Не стоит отбраковывать шишки с неправильной формой, например, изогнутые, слишком короткие, сросшиеся. Наоборот, такие «уродцы» могут здорово пригодиться! Изогнутые шишки удачно превращаются в спинку зверька и его хвостик. Такой материал, как нельзя лучше подойдёт для труда. И вообще, собирать следует шишки разных размеров и форм. А уж как их можно использовать, подскажет фантазия.

Инструкция по подготовке природного материала для поделки

Да и по возвращении домой работа по подготовке материала ещё не всегда бывает закончена. Даже, можно так сказать, наступает самый ответственный момент.

Для того чтобы впоследствии получилась удачная белка из шишек – поделка, инструкция по подготовке природного материала гласит следующее.

  1. Иногда фигурка зверька нужна срочно и ненадолго, например, для выставки. Тогда можно просто выбрать самые сухие и чистые шишки и приступать к работе.
  2. Если же композицию хочется сохранить в первозданном виде на длительный срок, материал предварительно обрабатывают. Шишки следует перед работой опустить в монтажный прозрачный клей, а затем просушить. Тогда им не грозит время и тепло, от которых чешуйки раскрываются и поделка деформируется. Можно использовать с этой целью тёплый столярный клей.

Белочка из шишки и бархатного картона

Первым очень простым способом будет изготовление белки из одной шишки. Её устанавливают на подставку при помощи пластилина толстым концом вниз.

Из картона вырезают две детали: хвост и голову с ушками. На голову приклеивают глаза. Их можно купить готовыми в специальных магазинах для рукоделия или сделать из бусин, пуговиц, белой бумаги. Ещё на голову прикрепляют зубы – белые прямоугольники.

Хвост и голову нужно приклеить к шишке. Вот и получилась прикольная белка. Из шишек поделка может изменить свой объём под воздействием тепла. Однако в данном случае этот факт не испортит вещь.

Белка из шишек и пластилина

Это второй достаточно простой вариант изготовления фигурки лесного зверька. Дополнительно потребуется ещё оранжевый пластилин для того, чтобы получилась замечательная белка из шишек – поделка, сделанная малышом собственноручно. В качестве подставки подойдёт картонный квадрат.

Для работы следует выбрать парочку изогнутых шишек. Они будут служить туловищем и хвостом зверька. Соединять их следует выгнутыми сторонами при помощи пластилина. Если в запасе только одна шишка, то хвост можно вылепить из пластилина. Это будет толстая колбаска с заострёнными концами, изогнутая буквой «S».

Для головы следует вылепить овал оранжевого цвета. С одного конца его заостряют – это будет мордочка белки. Ушки оформляют из того же материала, сделав небольшие защипы в верхней части головы. На кончик носика крепится маленький чёрный шарик. Также в виде шариков делают глазки. Но можно воспользоваться покупными, с катающимися внутри зрачками.

Нижние лапки делают в виде двух половинок овала. Их срезами крепят к подставке, а уже на них устанавливается белка из шишек. Поделка станет считаться полностью готовой тогда, когда из пластилиновых колбасок будут приделаны передние лапки зверька. Их нужно крепить к верхней части туловища.

Белка – поделка из шишек и синельной проволоки

Сегодня для ручного труда в магазинах продают специальную ворсистую проволоку. По-другому её ещё называют синельной. Может получиться превосходная белка из шишек, если лапки, хвостик и ушки зверька выполнить из ворсистой проволоки.

Хорошо, если удастся достать специальные ворсистые шарики для головы. Тогда на него приклеивают глазки и носик из бусинок либо бисера. Иногда эти детали вырезают из бумаги или картона. Допускается использование мелких пуговичек.

Белочка с мордочкой из синель-проволоки

В некоторые наборы для ручного труда входят круглые ворсистые шарики. Из них получаются головы для зверьков. В противном случае, когда достать заготовку невозможно, используют ту же синельную проволоку, из которой делают лапки зверька.

Сначала нужно скатать «улиткой» кружок для одного глаза. Затем из проволоки выполняется петля, имитирующая носик белки. Потом мастер приступает к выполнению второго глаза. Его также делают «улиткой». Снизу под кончиком мордочки можно закрепить коротенький отрезок белой проволоки, согнутый пополам. Это будут зубки зверька-грызуна.

Это будет замечательная белка из шишек. Поделка, фото которой представлено здесь, выполнена как раз таким способом.

Мастер-класс «Белочки из шишек»

Иногда делают целую композицию, в которой присутствуют несколько зверьков. Одно животное будет, например, сидеть за задних лапках. А рядом примостится стоящая на всех четырёх конечностях белка из шишек. Поделка, мастер-класс которой можно просмотреть здесь, украсит полочку или комод. Можно её и преподнести в дар близкому человеку.

Так как сделать белку из шишек лучше всего с помощью синельной проволоки, то и материал этот нужно подбирать подходящий по цвету. Для каждого зверька следует ещё подготовить ворсистые шарики. Из них будут выполняться головы. Из чёрного пластилина вылепляются мелкие шарики – глазки, и детали покрупнее – пипочки носиков. Можно воспользоваться готовыми «глазами», которые продают в магазинах для рукоделия.

  1. Итак, сначала на тонкий конец шишки крепят голову при помощи клея или пластилина. Если белка будет сидеть на задних лапах, то шишку ставят вертикально толстым концом вниз. Для той зверушки, которая стоит на всех четырёх конечностях, туловище устанавливают на подставке горизонтально.
  2. Передние лапки делаются из синель-проволоки. Ею обматывают шишку между раскрывшимися чешуйками.
  3. На голову приклеивают глаза.
  4. Теперь при помощи пластилина устанавливают глаза.
  5. Задние ноги можно сделать из половинок жёлудя.
  6. Хвост же изготавливают либо из той же проволоки, либо из сосновой веточки, выкрашенной в коричневый цвет. Иногда его делают из пучка травы, связав его снизу нитками.

Теперь, когда всем понятно, как сделать белку из шишек, можно составлять композицию. Для этого используют пластилиновые грибочки, из веточек сооружают деревца. А можно и вовсе построить белочкам чудный домик, сложив их из «брёвнышек» – наломанных веточек.

Белочка-пирамидка из шишек

Более опытные мастера изготавливают зверька, составляя его туловище из нескольких шишек. Фигурка собирается подобно пирамиде: внизу круглая широкая деталь, далее устанавливается подлиннее и поуже. Третьей крепится самая маленькая круглая шишечка – голова. Получается более похожая на настоящего живого зверька белка из шишек. Поделка пошагово выполняется в такой последовательности.

  1. Оформляют голову, на которую приклеивают глаза и нос.
  2. Ушки делают из чешуек другой шишки либо из семян клёна – «ветролётиков».
  3. На пластилиновую горку устанавливают шишку, имитирующую нижнюю часть туловища. Она, как говорилось выше, широкая и короткая, почти круглая.
  4. Ко второй шишке прикрепляют передние лапки. Их можно вылепить из глины либо пластилина. Некоторые мастера изготавливают эти конечности из чешуек другой шишки. Но и синель-проволока здесь будет уместна.
  5. К нижнему основанию туловища крепят верхнюю часть. Это шишка более узкая и длинная. Её устанавливают утолщённым концом вниз.
  6. Готовую голову крепят на вторую шишку горизонтально.
  7. В последнюю очередь устанавливают хвост. Для него нужна шишка самая крупная и по возможности хорошо раскрывшаяся.

    Советы от опытных мастеров

    Можно использовать для хвоста половинку шишки, которую нужно разрезать вдоль. Придав «хвостику» нужный изгиб, его фиксируют клеевой массой.

    Для того чтобы поделка была более прочной, сцепление деталей в ней можно производить не пластилином, а кусочками металлической жёсткой проволоки. Предварительно в местах соединения следует просверлить отверстия, в которые и вогнать стерженьки. Если к тому же углубления заранее залить клеем, то детали соединяться очень прочно.

Семейный очаг. Домоводство. Дети. Рецепты. Психология. Отношения

Наверняка каждый из нас уже знает о том, что в магазинах или универсамах сейчас можно увидеть странную водку, которая называется “Белочка”. Ту водку, о которой упомянул на одном из своих выступлений знаменитый писатель – сатирик Михаил Задорнов. Я приведу Вам фотоснимок той самой водочки, чтобы Вы смогли посмотреть, как выглядит такая белочка. Под нею гласит надпись: “Я пришла!”.

Некоторые элементы на этикетке светятся у водки во тьме:

С неё мы и взяли идею для работы, но только решили сделать её так, чтобы она выглядела безобиднее. Я представляю Вам фото готовой :

Эта забавная игрушка создана против алкоголизма и пьянства.
Я привожу список всего, что нам понадобилось для изготовления белочки:
1. Капюшон от старой кожаной шубы;
2. Ножницы, нитки, иголка;
3. Пинцет, вата, бисер, клей;
4. Бумага для изображения модели.

Вот модель игрушки:

Перечертив модель головки с двух сторон на отдельном листе бумаги, вырезаем:

Разделяем каждую модель ножницами на три части, подписав стороны каждой из них, чтобы верно собрать при шитье:

Вот модели туловища и лапки:

Теперь берём капюшон и аккуратно отрезаем от него меховую часть, пришитую с двух сторон:

Берём бумажные образцы головки и прикалываем их к обрезанной части от капюшона:

Аккуратно вырезаем их, оставив участки по краям для сшивания:

Прикалываем образцы другой стороны головки:

Сшив вместе образцы, делаем глаза из бисеринок:

На верхних кончиках ушей сделаем кисточки из меха, но прежде чем пришивать мех, приклеим, чтобы он не рассыпался:

Сшиваем снаружи вместе модели:

Теперь изготавливаем затылочную часть и заднюю часть головки белочке, используя для этого только один кусочек материи:

Вот как будет выглядеть готовая головка:

Во внутренней стороне нашего материала, взятого для кройки, есть много шерсти. Эта шерсть наполовину наполнила головку белочки, и ваты понадобилось в два раза меньше.

Вырезав кусок ткани подходящего размера, образовываем нижнюю часть головы белочки:

Теперь берёмся за изготовление туловища. Разрезав образец на две части, по очереди вырезаем составляющие сегменты туловища из ткани:

Вот все сегменты ткани, образующие туловище:

Теперь сопоставляем друг ко другу подходящие по образцу модели и сшиваем их:

Объединяем обе эти стороны в одно, получится туловище:

Изготавливаем лапки:

Пришиваем лапки к игрушке:

Делаем на листе бумаги образец для нижней стороны туловища, а затем прикалываем его к ткани и вырезаем, а затем пришиваем к игрушке. Так же делаем и передние лапки.

Пришиваем готовые передние лапки к белочке:

Теперь берём небольшой кусочек ткани с мехом и отрезаем от него небольшую часть:

Образуем из него несколько меховых лоскутиков и одним из них обвиваем шейку белочке, а затем сшиваем его края (т. е., не пришивая к самой игрушке):

Теперь отрезаем кусок меховой ткани, подходящий по размеру к нашей игрушке, и берём толстую проволоку. Эти вещи нужны для изготовления хвоста:

Нужный размер проволоки определяем, придавая проволоке подходящий размер для хвоста. Нижний кончик вводим внутрь игрушке, сильно загнув его вниз:

Прежний шов в меховом куске ткани следует распороть, и сделать новый, а затем уже и насадить на проволоку, образуя хвост:

Удаляем лишнюю торчащую проволоку и пришиваем хвостик к почти готовой игрушке:

При желании сверху на бисерные глазки белочке можно нанести тонким слоем флуоресцентную краску (краску на основе фосфоресцентного пигмента, накапливающего световую энергию при освещении). В темноте эти краски отдают накопленную энергию света. После обработки глаз -бисеринок сверху можно обклеить прозрачным скотчем. Возьмёмся за изготовление платформы для нашей игрушки. На этой платформе будет надпись: “Я пришла!”.
Берём три – четыре картонных листа, несколько листов цветной бумаги, клей и ножницы:

Вырезаем из цветной бумаги совпадающие по размеру с картонными листами прямоугольные формы для шести сторон будущей платформы и склеиваем:

Это – боковые стороны:

Приклеиваем к картонным прямоугольникам цветную бумагу.

Данная работа предназначена для детей начального звена школы, но и старшие дошкольники могут выполнить определенные этапы коллективной работы (склеивание бумажных полос в «капельки», делать листья в технике складывания «гармошкой»), под руководством родителей или воспитателей.

Этапы работы:

1.Аппликация выполнена на листе бумаги формата А3.

Можно взять цветной картон формата А3 или на белый лист формата А3

приклеить два листа ксероксной бумаги голубого, зелёного или жёлтого цвета. Выбираем цветную бумагу для фона будущей работы.

2.Готовый рисунок белки переводим через копировальную бумагу

и вырезаем его по контуру без хвоста.

3.Обводим вырезанную белку на оранжевом листе бумаги и вырезаем.

Белку надо обводить карандашом, положив наоборот.

4.Вырезаем на заготовке все мелки детали: мордочку,

середину ушка, нос, глаза, лапки, грудку (3 детали разного размера).

5.Обводим все вырезанные детали на цветной бумаге,

положив их наоборот, и вырезаем.

Мордочку, лапки, ушко надо по краю надрезать ножницами (имитация меха).

Вырезанную белку из оранжевого листа надрезаем по всему краю.

Все детали приклеиваем на белку,

доделываем розовые щёчки, усики, грибочек.

6.Вырезаем ветку из коричневой бумаги.

Приклеиваем на готовый фон ветку дерева, белочку и карандашом

рисуем контур хвоста.

7.Берём целый лист оранжевой и пол листа тонкой белой бумаги

складываем в несколько раз, чтобы лист разделить

на 8 одинаковых прямоугольников.

8.Каждый прямоугольник надо сложить в несколько раз на 8 полос.

Потом каждую полоску надо ещё разрезать пополам.

То есть из одного прямоугольника получится 16 узеньких полос.

9.Из узеньких белых полос склеиваем «капельки» и приклеиваем на кончик хвоста.

Приклеивать «капельки» нужно рядами, постепенно спускаясь вниз.

Делаем несколько белых рядов, потом ряды из оранжевых «капелек».

10.Вырезаем заголовки для осенних листьев из цветной бумаги

по схеме и складываем их гармошкой.

11.Можно вырезать кленовый лист другим способом: сложить бумагу пополам и обвести по контуру шаблона, развернуть и сложить гармошкой.

12.Составляем композицию из осенних листьев, доделываем веточки из бумаги, всё раскладываем и приклеиваем на клей ПВА.

Фломастером дорисовываем точки на мордочке.

13.Объёмная аппликация «Белочка на веточке» готова!

    Вот такую потешную белку можно сделать из одной шишки, помпона от старой шапки и нескольких кусочков меха.

  1. Приклеиваем помпон к шишке, он будет головой нашей будущей поделки, шишка – ее телом. Глазки и нос можно сделать из старых пуговиц.
  2. Возьмем 4 проволочки или веточки, скрепим их посередине в виде буквы V, приклеим мех, это будут уши нашей белки.
  3. Хвост, руки, ноги делаем по той же технологии.
  4. Для довершения образа помещаем в ее руки желудь или несколько сушеных грибов (их можно предварительно надеть на ниточку). Все, наша белка готова – ее можно повесить на елку или просто использовать для украшения интерьера.
  • Белочку можно сделать из шишек или очищенных кукурузных початков. Примерная схема на фото. Для туловища нужно выбирать шишку менее раскрывшуюся, чем берется для изготовления хвоста. Обе шишки рекомендуется брать изогнутые.

    В шишке для туловища сверлятся отверстия для шеи, хвоста, лап, и с помощью палочек на клею прикрепляют к туловищу. Для изготовления головы берется нераскрывшаяся шишка или орех. Вот такой вариант изготовления белки из природных материалов.

    Сделать Белку из шишишек такую же, как представлена на вашей картинке, будет достаточно сложно без специальных знанийЮ навыков и инструментов, поскольку там применяются не целые шишки, а вырезанные с изгибом. Я предлагаю вам другие варианты создания игрушки – поделки Белка из природных материалов :

    Белку как на фотографии выше можно сделать, слепив из пластелина всю фигурку, затем, подобрав нужные семена, воткнуть их в пластилин, покрыть ими всю скульптуру. Хвостик сделать из волокна, или подходящего сухого растения. Хвост можно сделать на проволочном каркасе, чтобы легко можно было его изогнуть в нужной конфигурации. Приклеить клеем момент.

    Белку из орешков легко сделать вместе с детьми. Если поделка не обязательно должна быть прочной, то склейте детали пластилином. Подробно о том, как лучше склеивать детали поделок из природного материала, я писала здесь.

    Эту белку из природных материалов тоже легко сделать с детьми, подобрав нужного размера шишки, хвостик можно сделать из пучка сухих сосновых иголок или из сухих трав.

    А рисунок на фотографии ниже можно использовать как основу для создания композиции из оранжевой чечевицы, зерен кукурузы, из гороха. Переведите картинку на картон, аккуратно намажте внутри рисунка клеем, засыпьте зерна, подравняйте, ровным слоем распределите, дайте высохнуть клею. Все лишнее осыпется само после высыхания. Картина с белкой готова!

    Белочку можно сделать либо из орехов, либо из шишек, либо из листьев. Предлагаю вам самый простой вариант – из шишек.

    Вам понадобится:

    • 3 шишки
    • пластилин

    Возьмите за основу подходящую картинку и приступайте к делу.

    Я предлагаю следующий вариант:

    Как видно из картинки, вам понадобится оранжевый, белый и черный пластилин, а также 3 шишки.

    При помощи пластилина соедините шишки так, чтобы у вам получились голова, тело и хвост. Как только сама основа будет готова, то можете приступить к формированию ушек, мордочки и лапок зверька.

    Если поделку нужно нести в садик или школу, то поместите ее на листик, предложим, клена, затем на картон.

    Как по мне, то поделка смотрится симпатично, только вот в качестве хвоста можно взять шишку покрупнее.

    Кстати, поделку можно и украсить, например, в лапки животному вложить орешек или ягодки.


    Белка – удивительный зверек. Пожалуй, один из немногих грызунов, который вызывает к себе симпатию, а не испуг (в отличие от мышей). У настоящей белки есть длинный пушистый хвост, шерстка темно-бурого или серого цвета со светлым брюшком. Среда обитания этих диких животных – все уголки планеты за исключением Австралии и полярных льдов. Кстати, белка является источником ценной пушнины.

    Огненная попрыгунья – частый персонаж детских мультфильмов и рисунков. Сегодня мы предлагаем сделать поделку из природных материалов «Рыжая белка».

    Для творческого занятия в обязательном порядке понадобятся:

    Каштаны
    – пластилин
    – шляпки желудей
    – маленькие перья
    – веточки, листья и кожуру каштанов.


    Вначале выбираем каштан средней величины для головы бельчонка. Из пластилина оранжевого цвета лепим нос, уши и шею. Нос украшаем коричневым шариком, а уши дополняем белым пластилином. Не забываем об оформлении глаз зверька.


    Для начала прикрепляем нос. Вот, что у нас получилось.


    Теперь демонстрируем готовую мордочку. Кстати, белка – умный, но доверчивый зверек. В суровые зимние месяцы, когда пища скрыта под толстым слоем снега, грызун быстро сообразит, что надо идти к людям. Именно там, на окраинах населенных пунктов можно присмотреть птичью кормушку и лакомиться семенами, хлебными крошками и орехами всю зиму.


    Белку легко приручить. Если она разово взяла у человека пищу из рук, значит, обязательно вернется, чтобы полакомиться еще.

    Продолжаем работу над поделкой. Для туловища выберем каштан большего размера, чем голова. Из оранжевого пластилина вылепим передние лапы бельчонка. Они представлены в виде трубочек с плоскими кружочками. Так мы показали, что у нашего зверька есть ладошки. Грызун разгрызает арахис и другую твердую пищу, удерживая ее цепкими пальцами.


    Прикрепив левую лапку, мы скатали два пластилиновых шарика и расположили их в нижней части туловища. На шарики прикрепим широкие шляпки желудей. Это нижние конечности белки. Туловище поделки из природных материалов практически готово.


    Проверим, способна ли белка сидеть самостоятельно? Да, вполне.


    Хвост – неоспоримое достоинство и украшение грызуна. Как сделать зверьку пушистый хвост? Предлагаем использовать мелкие птичьи перышки, точнее пух. Если такого добра в доме нет, значит, хвост будет из пластилина.


    С помощью ПВА мы склеили между собой два пера, наложив их внахлест.


    С помощью шарика пластилина прикрепим чудо-хвост к туловищу. Из перьев оформим также брюшко поделки.


    Очень симпатичный получается бельчонок.

    А вот и длинный хвост.


    В качестве декора для поделки используем осенние засушенные листья. Тонкую веточку представим в виде деревца. Картонную основу застелем ковром из разноцветных растений. Поделка готова. Можно звать друзей в гости, любоваться детской творческой работой.

    Во всех садах и школах, каждый год просят изготовить изделия собственными руками. Это пожалуй самая частая головоломка для родителей.

    И знаете, это даже совсем не плохо.

    Природного материала у нас много, нужно добавить немного фантазии.

    Ну а самое главное, вы всей семьей погрузитесь в обворожительный мир творчества.

    Сегодня, мы рассмотрим природный ресурс — шишки.

    Его применяют не только в школьных поделках, но и для интерьера, Hand-Made дизайнеры и другие.

    Ниже предоставлены фото и подробная схема нескольких поделок из шишек.

    Какие поделки из шишек можно сделать своими руками

    Практически каждый сможет изготовить поделку из настоящих сосновых и еловых шишечек, главное желание и немного воображения.

    Применяя этот потрясающий натуральный ресурс можно сделать:

    • Элементы декора, которые принесут в ваш дом потрясающий запах леса и уютную атмосферу.
    • Новогодние поделки: праздничный венок, подсвечник, елку, гирлянду, новогодний шар и многое другое.
    • Интересные поделки забавных животных вместе с детьми.

    Праздничный венок

    Передать новогоднее настроение гостям можно прямо с порога. Для дизайна новогоднего венка будем использовать:

    • Картон
    • Ветки ели или сосны
    • Шишки
    • Атласная лента
    • Не настоящий снег
    • Краска
    • Клеевой пистолет
    • Украшения для декорации, по желанию.

    При изготовлении основы используют множество материалов.

    Например: пластик, картон, ветки, гнущуюся проволоку, и даже газеты.

    Мы остановились на картоне, с ним достаточно просто и удобно работать.

    На картоне вырезаем диаметр круга, который нам необходим. Далее крепим ветки и шишки, образовывая симметричный круг.

    После того, как шишки приклеены, продолжаем украшать наш венок. Берем баллончик с искусственным снегом и обрызгиваем краешки шишек.

    Если вы не смогли найти снег, то можно покрасить чешуйки белой или серебренной краской.

    Обвязываем атласной лентой, цвет выбирайте сами.

    Обратите внимание!

    Для более интересного и насыщенного венка можно добавить дополнительные элементы декора: красные бусины, желуди, орехи, цветы.

    Включайте фантазию и у вас все получиться!

    Новогодняя гирлянда

    Быстрая и простая поделка в изготовлении.

    Материал который понадобится:

    • шишки
    • клеевой пистолет
    • веревка
    • краска
    • блестки

    Пошаговая инструкция поделки:

    • Заранее подготавливаем шишки, окрашиваем их краской. Краску можно выбрать разных цветов. Или сделать в один цвет, который подходит под дизайн вашего интерьера. Так же для «нарядности» изделия можно использовать блестки.
    • Берем веревку и делаем отметки расстояние между шишками.
    • С краев оставляем по 10-15 см для того чтобы было место прикрепить гирлянду.
    • При помощи клеевого пистолет, прикрепите шишки к веревке. Приклеиваем по всей длине.
    • Ждем когда высохнет клей. И Вуаля! Новогодняя гирлянда готова.

    Обратите внимание!

    Для малышей и школьников будет просто изготовить поделки из шишек и пластилина забавных животных: Мишутку, Ежика, Бельчонка, Сову и др.

    Мишутка

    Будем использовать:

    • Шишки разных видов (сосновые, еловые, открытые, закрытые)
    • Ножницы
    • Пластилин

    Пошаговая инструкция по изготовлению поделки:

    Тело. Из собранного материала, выбираем удлиненную сосновую шишку. На соединительные части чешуек, наносим клей. Соединяем части так, что бы чешуйки закрепляли друг друга.

    Лапы. Выбираем 2 шишки побольше на нижние лапы, и 2 поменьше на верхние. Склеиваем детали с телом, следите за симметрией.

    Голова. Голову делаем из открытых сосновых шишек. Они отлично передают пушистость шерсти у медведя. Прикрепляем при помощи клея к основанию.

    Обратите внимание!

    Уши, глаза и нос. Можно сделать из пластилина, а кончик носа к примеру из черного перца горошком.

    Если вам хочется удивить всех вокруг, то тогда можно сделать большого медведя. Размер медведя выбирать Вам, главное набрать нужное количество шишек.

    Изготовить основание — каркас Мишутки можно из монтажной пены, пенопласта или папье-маше. Отличным решением, для устойчивости изделия, будет прикрепить на дно что-то тяжелое.

    Каркас, облепляем шишками, а уши и мордочку делаем из пластилина или помпонов.

    Ежик

    Самая простая детская поделка из шишек. Для ее изготовление нужно всего два материала:

    • Шишки
    • Пластилин

    Поэтапное описание:

    Тело. Сама шишка хорошо подойдет для основания поделки. Если присмотреться и правильно повернуть чешуйки похожи на иголки ежика.

    Мордочка. Здесь нам понабиться пластилин. Из него делаем продолговатую мордочку. И фиксируем на поделке.

    Глазки, носик, лапки, ушки. Так же применяем пластилин, только другого цвета.

    Как видите не чего сложного, эта поделка из шишек подойдет для детского сада.

    Экспериментируйте! Украшайте свой дом интересными дизайнерскими решениями, которые приготовили сам. Не забывайте про детей, им тоже будет интересно принят участие в творении маленького чуда.

    Фото поделок из шишек




  • Прошлое, настоящее и будущее белковых материалов

    Open Biol. 2018 окт; 8 (10): 180113.

    Надя К. Абаскаль

    1 Кафедра молекулярной биофизики и биохимии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США

    Линн Риган

    2 Департамент междисциплинарных наук, Центр Синтетическая и системная биология, Институт количественной биологии, биохимии и биотехнологии, Школа биологических наук, Эдинбургский университет, Эдинбург, Великобритания

    1 Кафедра молекулярной биофизики и биохимии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США

    2 Департамент междисциплинарных наук, Центр синтетической и системной биологии, Институт количественной биологии, биохимии и биотехнологии, Школа биологических наук, Эдинбургский университет, Эдинбург, Великобритания

    Текущий адрес: Химический факультет, Интегрированный выпускник Программа по физической и инженерной биологии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США.

    Поступила 28.06.2018; Принято 5 октября 2018 г.

    Опубликовано Королевским обществом в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, которая разрешает неограниченное использование при условии указания автора и источника. статья процитирована другими статьями в PMC.

    Abstract

    Белковые материалы находят новые применения и применения после тысячелетий воздействия на повседневную жизнь людей. Некоторые из самых ранних применений белковых материалов все еще проявляются в производстве шелковых и шерстяных тканей и кожаных изделий.Сегодня, хотя шелк, шерсть и кожа все еще используются традиционными способами, эти белки теперь рассматриваются как многообещающие материалы для биоматериалов, средств доставки лекарств и компонентов высокотехнологичных тканей. С появлением методов биосинтеза и усовершенствованных средств очистки белков материалы на основе белков – рекомбинантные и другие – используются во множестве приложений на передовых рубежах медицины, электроники, материаловедения и даже моды. Этот комментарий призван обсудить некоторые из этих приложений, при этом критически взглянув на то, где материалы на основе белков могут быть использованы в будущем.

    Ключевые слова: белковые материалы, рекомбинантные белки, биоматериалы, доставка лекарств

    1. Введение

    Белковые материалы занимали место в обществе на протяжении тысячелетий. Шелк, шерсть и кожа – особенно примечательные примеры, полученные в результате вековой практики выращивания тутовых шелкопрядов для производства шелка, разведения овец для производства шерсти и использования охотничьего улова для получения кожаных шкур. Эти материалы обладают исключительными физическими свойствами с огромным преимуществом, заключающимся в том, что они являются биологически разлагаемыми по своей природе и в конечном итоге возвращаются в биомассу Земли.Поэтому в настоящее время существует большой интерес как к производству новых материалов на белковой основе, так и к получению уже знакомых материалов различными способами.

    Шелк веками использовался для создания прекрасных тканей не только из-за его эстетического качества и редкости, но также – и, возможно, самое главное – из-за его прочности. Тутовых шелкопрядов, личинок гусениц моли B. mori , до сих пор выращивают для производства шелка с использованием методов культивирования, которые мало изменились за несколько тысяч лет. Несмотря на то, что эти методы эффективны, они требуют много времени и их нелегко масштабировать.Ключевым этапом в производстве шелка является сбор коконов (путем кипячения или протыкания их для уничтожения личинок) в оптимальное время для их развития, чтобы шелк можно было размотать, по существу, как одну длинную нить [1].

    Хотя процессы изготовления кожи обычно выполняются в гораздо большем масштабе, дубление требует времени и вредно. Многие химические и биологические вещества, необходимые для отделения кожи от материалов, таких как волосы и посторонние волокна, имеют неприятный запах, являются резкими и токсичными [2].Производство кожи всегда определялось производством мяса, но синтетический процесс может обойти эту тандемную взаимосвязь спроса и предложения. Те, кому нравится внешний вид кожи, но противятся ее методу производства, стали толчком к разработке чисто синтетической альтернативы. Кроме того, создание новых материалов из составляющих белков таких материалов, как шелк, шерсть и кожа, является перспективным в области текстиля и за ее пределами.

    До недавнего времени концепция использования натуральных волокон или синтетических материалов, полученных из них, в качестве «умных материалов» все еще оставалась недостаточно развитой областью исследований.Сегодня в литературе появляется множество новых разработок материалов на белковой основе для различных областей применения. Легкость, с которой исследователи могут программировать экспрессию любого белка, сделала использование белков в широком спектре биоматериалов привлекательным [3]. Помимо того, что они доступны и являются частью экономики замкнутого цикла исходных материалов, белковые материалы являются биосовместимыми и биоразлагаемыми – качествами, которые очень привлекательны [4]. Более того, поскольку многие структурные белки представляют собой полимерные материалы, состоящие из дискретных повторов аминокислотных последовательностей, они имеют высокую модульность, что облегчает манипуляции с ними [5].Определенная аминокислотная последовательность, которая, как обнаружено, придает привлекательные характеристики, часто может быть слита с другим белком, таким образом сочетая привлекательные качества обоих; например, сочетание последовательности, придающей белку его прочность, с другой последовательностью, придающей ему эластичность, может привести к получению прочного, но эластичного материала. Внутренняя сила и эластичность природных белков, таких как шелк, эластин, резилин, коллаген и кератин, поставили эти белки в центр таких исследований [3].Кроме того, композитные материалы, которые представляют собой шелк, эластин, резилин, коллаген, кератин или некоторые их комбинации, или которые включают неорганические компоненты, также оказываются многообещающими во многих областях применения биоматериалов [3].

    Здесь мы даем неисчерпывающий обзор последних достижений в исследованиях и разработках материалов на белковой основе. Будут рассмотрены как натуральные волокна, так и синтетические материалы с учетом множества применений, а также преимуществ и ограничений их использования.

    2. Состав материала

    Структурные составы наиболее распространенных белков, используемых в материалах (например, шелк, эластин, резилин, коллаген и кератин), имеют характерные особенности, которые лежат в основе их исключительной механической прочности и эластичности (). Уникальные свойства этих белков неразрывно связаны с их составом, как правило, с множественными тандемными повторами коротких аминокислотных последовательностей. В зависимости от того, как эти аминокислоты связаны, белок будет наделен определенными качествами, нетипичными для обычных глобулярных белков.

    Все материалы, представленные здесь, имеют природные источники и консервативные повторяющиеся аминокислоты в их первичных структурах.

    2.1. Состав шелка

    Шелк состоит из двух отдельных компонентов: основного белка фиброина и его клеевидного покрывающего серицина, который удаляется перед переработкой волокна в пригодные для использования материалы. Некоторые исследователи независимо исследуют сам серицин на предмет его потенциального использования в качестве материала [6], но наше внимание сосредоточено на материалах на основе фиброина [7].

    Ключевые компоненты фиброина, которые лежат в основе его механических свойств, представляют собой плотно упакованные антипараллельные β-слои, иногда называемые кристаллитами, образованные участками повторов белка, богатыми глицином и аланином () [8].

    2.2. Состав эластина

    Эластин является основным структурным белком млекопитающих, который присутствует в кровеносных сосудах, эпителии легких, коже и других тканях [9]. На структурном уровне эластин состоит из тандемных тетра-, пента- и гекса-повторов дискретных пептидных последовательностей, состоящих преимущественно из гидрофобных остатков, таких как валин, аланин, глицин и пролин.Эти последовательности перемежаются более гидрофильными доменами, богатыми лизиновыми и аланиновыми повторами [10]. Модели эластина предполагают, что растяжение уменьшает энтропию (то есть выталкивает молекулы воды из структуры), так что будет энтропийная движущая сила для характерной эластичности эластина [11,12].

    2.3. Состав резилина

    Резилин представляет собой гибкий и растяжимый структурный белок, обнаруженный у насекомых. Он назван за его устойчивость к повторяющимся упражнениям на растяжку и расслабление.Способность Ресилина накапливать механическую энергию дает насекомым способность эффективно прыгать и летать [13]. Резилин имеет три домена, которые состоят из N-концевого домена с восемнадцатью 11-аминокислотными повторами (экзон I), среднего хитинсвязывающего домена (экзон II) и C-концевого домена с одиннадцатью 13-аминокислотными повторами (экзон III). Домены, содержащие N- и C-концевые повторы, по-видимому, являются ключевыми для уникальных свойств белка. Экзон I представляет собой эластичный, очень эластичный, «мягкий» домен, тогда как C-концевой домен «жесткий» и значительно менее эластичный.Эксперименты с изменением последовательности повторов выявили порог содержания глицина и пролина, выше которого повторяющиеся структуры являются эластичными. Как N-, так и C-концевые домены, как предсказывают, будут неупорядоченными, с N-концевым доменом, дополнительно предсказываемым, чтобы иметь некоторую предрасположенность к структуре β-витков [14].

    При термическом воздействии или механическом стрессе экзон III может трансформироваться в более упорядоченную структуру β-витков. Связанная энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая используется при прыжках или полетах насекомых.После использования этой кинетической энергии экзон III охлаждается и расслабляется, возвращаясь к своей исходной конформации [14]. Первичная структура резилина в некоторой степени консервативна у разных насекомых, поскольку повторы YGAP являются общими в N-концевом домене [15]. Однако точная последовательность резилина варьируется от источника к источнику (т. Е. Резилин комаров отличается от резилина плодовой мушки), хотя одной из наиболее часто используемых повторяющихся последовательностей для рекомбинантного резилина является последовательность из A. gambiae , AQTPSSQYGAP [16].

    2.4. Состав коллагена

    Подобно резилину, коллаген является высококонсервативным структурным белком. Это самый распространенный структурный белок в тканях млекопитающих. Фундаментальная структура – три α-спиральные цепи, которые объединяются как гомо- или гетеротримеры [17]. Эти тримеры затем собираются в более сложные супрамолекулярные структуры, включая фибриллы, бусинчатые филаменты, закрепляющие фибриллы, сети и гексагональные сети [17]. В первичной структуре коллагена преобладают повторы глицин-X-Y, где X обычно представляет собой гидроксипролин, а Y представляет собой пролин [18].Считается, что присутствие гидроксипролина в коллагене способствует его термостабильности; мутации, которые удаляют гидроксипролин из различных точек последовательности коллагена, значительно снижают температуру его термической денатурации [19].

    2.5. Кератиновый состав

    Кератин – еще один примечательный белок этого класса. Это структурный белок, содержащийся в чешуе и когтях рептилий, клювах и перьях птиц (β-кератин), а также в волосах и шерсти млекопитающих (α-кератин) [20]. Хотя как α-, так и β-кератин объединяет то, что они богаты аминокислотой цистеином и имеют довольно большое количество дисульфидных поперечных связей, они существенно различаются по своей структуре.α-кератин представляет собой спиральный белок, который собирается в спиральные спирали и, в конечном итоге, спиральные филаменты. Напротив, β-кератин образует бета-листы, которые также собираются в филаменты более высокого порядка. Как α-, так и β-кератин, как правило, в своей функциональной форме встроены в аморфную кератиновую матрицу. β-кератин также может находиться в аморфной форме и участвовать в других функциях, в том числе в качестве основы структурного цвета некоторых перьев птиц.

    Нерастворимость и повсеместность кератина в сельскохозяйственных отходах, таких как куриные перья и неподходящая шерсть, делают его особенно привлекательным для применения в биоматериалах [20].Присутствие последовательностей клеточной адгезии аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (RGD) и лейцин-аспарагиновая кислота-валин (LDV) в естественной последовательности кератина также увеличивает его потенциал для использования в качестве матрицы для роста клеток [20]. Индивидуальные структурные качества кератина, шелка, эластина, резилина и коллагена, а также общие характеристики биосовместимости и биоразлагаемости этих материалов – все это способствует тому, что они находятся на переднем крае исследований биоматериалов.

    3. Области применения

    Белковые материалы обладают особыми перспективами в том смысле, что их можно настраивать и изменять как химический состав, так и их морфологию.Многочисленные способы обработки сырого протеина из этих материалов позволяют исследователям производить такую ​​форму протеина, которая лучше всего подходит для конкретного применения. Например, белок может быть переработан так, что его пластичность и мягкость имитируют условия, которые стимулируют дифференцировку клеток [21], тем самым добавляя еще один уровень к биосовместимости этих материалов и широте их применения.

    Шелк был в авангарде исследований этого типа. Один из видов шелка, производимого пауками, – драглайновый шелк, – даже прочнее традиционного шелка, полученного из шелкопряда.Производство драглайнового шелка из пауков – гораздо более сложное дело, чем производство традиционного шелка из тутового шелкопряда. Шелк драглайна должен производиться из отдельных пауков, которых трудно, если вообще возможно, выращивать в неволе, и поэтому урожай будет мизерным.

    Следовательно, существует большой интерес к разработке методов рекомбинантного производства как традиционного шелка, так и шелка драглайна с потенциалом повышения урожайности и получения более стабильного продукта. Хотя оказалось, что экспрессировать рекомбинантный фиброин (ключевой белок шелка) относительно легко, разработка методов получения волокон из этих мономеров затруднена.Используются различные стратегии, включая различные процедуры обработки и экспрессии [22].

    Железа, отвечающая за производство шелка драглайна у пауков, состоит из хвостовидной области и более широкого мешка [23]. Хвостообразная область выделяет так называемый «прядильный раствор», который представляет собой водный раствор белка, из которого формируется шелковое волокно [23]. Мешок действует как хранилище и направляет раствор в сложный проток, заканчивающийся клапаном [23]. В то время как усилие сдвига канала способствует конденсации белка в твердый материал, градиент pH (от 7.От 6 до менее 5,7) над железой индуцирует конформационные изменения фиброина, так что стимулируется образование волокон [24]. Повторение такого механизма преобразования рекомбинантных белков фиброина шелка в шелковые волокна масштабируемым образом является основным препятствием на пути к производству больших количеств рекомбинантной шелковой ткани. Компания Bolt Threads разработала запатентованный метод производства шелка для драглайнов и заключила контракт с модельером Стеллой Маккартни на линию одежды из шелка для драглайнов (), и на сегодняшний день сообщается об одном шелковом платье для драглайнов [1].

    Платье, созданное Стеллой Маккартни из синтетического шелка драглайн. (Изображение предоставлено Bolt Threads.)

    Разрабатываются различные процессы для использования рекомбинантного фиброина шелка (наиболее часто экспрессируемого в E. coli ) в различных приложениях, помимо подготовки нитей для одежды () [22]. После лиофилизации очищенного фиброина белок можно обработать и отлить в несколько морфологий, подходящих для конкретных применений. Фиброин может быть электроспряден в нановолокна, самособираться или мокрым способом в микроволокна, самособираться в гидрогели, растворяться в мезопористых пенах, десольватироваться с образованием частиц, эмульгироваться в капсулы или отливаться в пленки [22].Эти материалы на основе шелка были превращены в биоразлагаемые винты или пластины с помощью процесса на основе растворителя, используемого для восстановления переломов костей [25]. Шелк паука драглайна также использовался для изготовления искусственной кожи [26]. Пористые каркасы, гидрогели, пленки и электроспряденные волокна используются для стимулирования роста тканей во время подкожной имплантации, например, при заживлении ран и тканевой инженерии [27,28]. Преимущество создания гидрогелей из белков состоит в том, что функция может быть легко введена в структурную матрицу.Например, последовательность RGD может быть введена в белок, чтобы стимулировать прикрепление клеток к гелю [28].

    Формы, в которых материалы на основе синтетического шелка и других белков могут принимать различные формы. (Изображение адаптировано с разрешения Advanced Materials.)

    Другие белки также были исследованы на предмет их потенциального применения в тканевой инженерии. Материалы на основе эластина и эластина также могут быть превращены в биосовместимые электропряденые волокна и гидрогели [3,29,30].Кроме того, белок эластина и эластиноподобные пептиды являются гидрофильными и взаимодействуют с клетками через положительно заряженный С-концевой домен GRKRK, используемый для связывания интегрина [31]. Кроме того, настройка составных повторов эластина с переменным остатком позволяет настраивать свойства эластиноподобных пептидов [32].

    Ресилин и материалы на его основе были превращены в гидрогели для потенциального использования в тканевой инженерии [33]. Ключевой особенностью структуры резилина является наличие необычных тирозин-тирозиновых поперечных связей.Они могут быть введены в материалы рекомбинантного резилина с использованием химического окисления или фермента трансглутамазы. Используя такие стратегии перекрестного связывания, из рекомбинантного резилина были созданы гидрогели, которые имитируют эластичные свойства субэндотелиального слоя сосудистой системы, тем самым обеспечивая многообещающий материал для регенерации сосудистой ткани и долговременного прикрепления клеток [34].

    Наконец, коллаген и материалы на его основе нашли применение во многих областях в этой области, включая, довольно успешно, в имплантатах роговицы [35].Коллаген использовался для тканевых трансплантатов и превратился в пористый гель, который способствует возобновлению роста тканей [36]. Рекомбинантный коллаген (экспрессируемый в дрожжах или растениях) является привлекательной альтернативой коллагену, полученному от животных, и содержит мало контаминантов [37–39].

    Кроме того, Modern Meadows разработала метод, с помощью которого белок коллагена, продуцируемый клетками дрожжей, может быть очищен и переработан в кожаные листы () [2]. Их точная процедура является запатентованной, но компания может производить продукт, который больше не ограничивается размером и формой животного, а также поставкой кожи в качестве мясного продукта [2].

    Помимо этих разнообразных применений, белковые материалы также использовались для доставки лекарств. Для этой цели материалы на основе шелка были превращены в наночастицы, которые были объединены с различными пептидами для настройки способов доставки [3]. Экспрессируя белок фиброин шелка, слитый с пептидом, который отрицательно заряжен при физиологическом pH, доставка лекарства может быть сделана зависимой от pH. Эффективность инкапсуляции положительно заряженного лекарства высока при физиологическом pH, тогда как в среде опухоли с низким pH связывание ослабляется, и груз лекарства высвобождается [40].Рекомбинантный шелк, содержащий поли (l-лизин) домены, также был разработан для содержания пептидов, связывающихся с опухолевыми клетками, так что ДНК может доставляться специфично для мишени [40]. Эластин и материалы на основе эластина могут быть превращены в реагирующие на раздражители полимеры путем манипулирования аминокислотами, добавленными к модульной повторяющейся последовательности эластина, или путем изменения самой повторяющейся последовательности [41]. Отслеживание того, как свойства изменяются в результате этих модификаций, обеспечивает более глубокое понимание того, как физические свойства материала определяются аминокислотной последовательностью [41–43].

    Помимо тканевой инженерии и доставки лекарств, белковые материалы показали себя многообещающими в качестве проводящих и антимикробных материалов и упаковки. Синтетические материалы, состоящие из тандемных повторов аминокислот, демонстрируют востребованные свойства для применения в энергетике и электронных технологиях [44]. Например, последовательности тандемных повторов, мотивы чередующихся A, V, S, T, H-богатых и G, L, Y-богатых сегментов, происходящие из белков кольцевых зубов кальмаров (мягкий, но прочный белок, присутствующий в присосках кальмаров ‘щупальца), которые, как сообщается, демонстрируют самую высокую объемную протонную проводимость среди всех протестированных биоматериалов [44].

    Кератин, или шерсть, может быть легко функционализирован путем хлорирования для получения материала, заряженного галогеном [20]. В виде тканей, пленок или нановолокон кератин, заряженный галамином, обладает антибактериальными свойствами [20]. Кроме того, эти материалы сохраняют свою эффективность даже после многократного мытья. Кератин, заряженный галамином, может играть важную роль в производстве материалов для множества целей [20].

    Белковые материалы также дают возможность использовать «богатые белком отходы» в новых сферах применения.Многие продукты получают «покрытие» для поддержания гидратации и предотвращения проникновения кислорода, поскольку оба эти процесса связаны с ухудшением качества продукта. Обертки на пластиковой основе широко используются, но как не поддающиеся биологическому разложению продукты, после чего они накапливаются как отходы. Поэтому существует значительный интерес к созданию покрытий с подходящей прочностью на разрыв и эластичностью из источников белка, которые в противном случае были бы выброшены. Такие покрытия на белковой основе, помимо уменьшения порчи, в идеале не имели бы вкуса, и поэтому их можно было либо употреблять в пищу вместе с продуктом, который они покрывают, либо снимать, биоразлагать и возвращать в землю.Два источника избыточного белкового материала, которые в противном случае пошли бы в отходы, – это казеин в избытке молока из молочной промышленности и кератин в отходах перьев птицеводства, оба из которых могут быть использованы в качестве пищевых покрытий и других применений. . В этих примерах эти белки получены из их первоначальных источников, но используются в различных составах для производства новых материалов [45,46].

    Другой аспект материалов на белковой основе, который начинает изучаться, – это идея объединения более чем одного белка для получения материала, который демонстрирует желаемые характеристики обоих.Одним из особенно примечательных примеров являются шелковые эластиноподобные пептиды (SELP), которые были электроспрядены и использованы для создания биосовместимых волокнистых каркасов с приложениями в тканевой инженерии [47, 48], а также гидрогели и наночастицы для доставки лекарств [49-51] ].

    4. Перспективы и выводы

    Использование материалов на белковой основе становится все более распространенным в широком диапазоне областей и приложений. Обсуждаемые выше примеры в основном касались волокнистых белков; однако потенциал использования глобулярных белков с необычными физическими свойствами для создания новых материалов также начинает использоваться.Одним из примеров является BslA, бактериальный гидрофобин, который самособирается на гидрофобных / гидрофильных границах раздела с образованием прочных монослоев. Было показано, что он стабилизирует капли эмульсии, обеспечивая возможность доставки лекарств [52,53] и может даже использоваться для покрытия мороженого, чтобы замедлить его таяние [52,53]. Совсем недавно были разработаны стратегии белковой инженерии для функционализации BslA после того, как он собрался в монослой [54,55], что позволило исследователям еще больше расширить потенциал покрытий на основе BslA для более широкого круга приложений, включая зондирование.

    Белковые материалы предлагают множество возможностей для адаптации макроскопических свойств материала путем изменения либо последовательностей белков, из которых они сделаны, либо способов их обработки. Возможности применения таких материалов, некоторые из которых обсуждались в этом обзоре, огромны. Кроме того, их внутренняя биоразлагаемость и их роль в экономике замкнутого цикла, превращая продукты, которые в противном случае пошли бы в отходы, в новые полезные материалы, имеют неоценимое значение.Появление самоочищающихся тканей, включающих в себя волокна на основе протеина, легированных липазой, или носимые датчики, которые могут предупредить пользователя о надвигающейся неотложной медицинской помощи, ближе к реальности, чем к научной фантастике. Материалы на основе белков быстро развиваются, чтобы вскоре стать заметными вариантами решения проблем биомедицинской инженерии, материаловедения, управления отходами и не только.

    5. Определения

    Многие термины, связанные с биоматериалами, определены довольно свободно, с широкими толкованиями, в то время как другие определены более точно.Поэтому важно указать значение нескольких часто используемых терминов в данной области. Некоторые из этих терминов встречаются в этом комментарии.

    Биосовместимость. Биосовместимый материал может взаимодействовать с живыми клетками или живым организмом, не вызывая отрицательного ответа. Определение «отрицательный ответ» довольно расплывчато и, как правило, зависит от конкретного приложения. Часто этот термин используется для описания материалов, которые используются в качестве каркасов для роста клеток и тканей или в приложениях с контролируемым высвобождением лекарств.

    Биоразлагаемый . Биоразлагаемый материал может разрушаться естественными или биологическими процессами. Мы используем этот термин, чтобы обозначить, что такое ухудшение будет происходить «в течение разумного периода времени» и при различных условиях. Сам термин не подразумевает конкретный временной масштаб или эффективность деградации в данных условиях.

    Круговая экономика. В экономике замкнутого цикла материалы используются повторно и перерабатываются. Например, отходы одного процесса не выбрасываются, а используются в качестве сырья для другого процесса.Он воспринимается как более устойчивая альтернатива традиционной линейной экономике (производство, использование и утилизация).

    Модуль упругости. Сопротивление материала упругой (т. Е. Обратимой) деформации под действием напряжения. Чем менее эластичен (т.е. более жесткий) материал, тем выше его модуль упругости.

    Электропрядение. Способ производства очень тонких волокон, при котором заряженные нити раствора полимера (или белка) притягиваются к противоположно заряженной пластине.Обычно используется в небольших масштабах, но несколько компаний по всему миру предлагают расширенные возможности.

    Мезопористый. Материал имеет много пор среднего размера (от 2 до 50 нм в диаметре) [56].

    Самоочистка . Материал, который может вступать в реакцию с загрязняющими веществами, делая их безвредными. Часто это означает включение в материал фермента; например, ферменты, разлагающие фосфорорганические соединения, встроенные в фильтры для удаления пестицидов из воды или в защитную одежду для противодействия атакам нервно-паралитических агентов.

    Самовосстановление. Самовосстанавливающийся материал автоматически устраняет любые повреждения без дополнительного вмешательства. Многие белковые материалы обладают способностью непрерывно восстанавливать себя, спонтанно образуя новые связи после их разрыва. Это явление часто наблюдается в гидрогелях на белковой основе.

    Исцеление от деформации . В повторяющихся циклах растяжения и расслабления материал становится прочнее. Первый цикл растяжения фактически помогает устранить некоторые недостатки, а после расслабления материал теперь улучшается.

    Предел прочности . Максимальное напряжение, которое может выдержать материал до того, как он сломается.

    Предел текучести . Точка, в которой поведение под стрессом перестает быть эластичным.

    Благодарности

    Авторы благодарят Куррана Ои и Кристофера Шугру за их внимательное чтение и конструктивные комментарии. Кроме того, авторы благодарят Институт биологических, физических и технических наук Раймонда и Беверли Саклер, NIH и NSF за их поддержку.

    Доступность данных

    В этом комментарии нет дополнительных данных.

    Вклад авторов

    N.C.A. и Л. в равной степени способствовал концепции этого комментария. N.C.A. был в первую очередь ответственным за его написание, в то время как L.R. в первую очередь отвечал за его редактирование и исправление.

    Конкурирующие интересы

    Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Финансирование

    Эта работа финансировалась Институтом биологических, физических и технических наук Раймонда и Беверли Саклер, Национальным институтом здравоохранения (GM118528) и Национальным научным фондом (MRSEC DMR-1119826).

    Ссылки

    3. Desai MS, Lee SW. 2015 г. Дизайн функциональных наноматериалов на основе белков для приложений биоинженерии. Wiley Interdiscip. Преподобный Наномед. Nanobiotechnol. 7, 69–97. (10.1002 / wnan.1303) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 4. Лин CY, Лю JC. 2016 г. Модульные белковые домены: инженерный подход к функциональным биоматериалам. Curr. Opin. Biotechnol. 40, 56–63. (10.1016 / j.copbio.2016.02.011) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 5. Фриман Р., Бэкховен Дж., Дикерсон МБ, Наик Р.Р., Ступп С.И.2015 г. Биополимеры и супрамолекулярные полимеры как биоматериалы для биомедицинских приложений. МИССИС БЫК. 40, 1089–1101. (10.1557 / mrs.2015.270) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 6. Ван З. и др. 2015 г. Изучение натурального протеина шелка серицина для регенеративной медицины: инъекционный фотолюминесцентный адгезивный 3D-гидрогель для клеток. Sci. Rep. 4, 7064 (10.1038 / srep07064) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 7. Го И, Ли Х, Чжан Цюй, Янь С., Ю Р. 2017 г. Растворение и регенерация немелковицы. Eriogyna pyretorum фиброин шелка.Матер. Res. Выражать. 4, 105 404. (10.1088 / 2053-1591 / aa8e07) [CrossRef] [Google Scholar] 8. Чо Си, Юн Й.С., Чан Ди, Чон Дж. У., Ким Б. Х., Ли С., Джин Х. Дж. 2017 г. Сверхпрочные пиропротеиновые волокна с дальним порядком. Nat. Commun. 8, 74 (10.1038 / s41467-017-00132-3) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 9. Мудрый SG, Mithieux SM, Weiss AS. 2009 г. Разработаны биоматериалы на основе тропоэластина и эластина. В «Достижения в химии белков и структурной биологии» 78 (изд. Макферсон А.), стр. 1–24.Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Academic Press. [PubMed] [Google Scholar] 10. Vrhovski B, Weiss AS. 1998 г. Биохимия тропоэластина. Евро. J. Biochem. 258, 1–18. (10.1046 / j.1432-1327.1998.2580001.x) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Gosline JM. 1978 г. Гидрофобное взаимодействие и модель эластичности эластина. Биополимеры 17, 677–695. (10.1002 / bip.1978.360170311) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Охго К., Ниемчура В.П., Сикат БК, Мудрый С.Г., Вайс А.С., Кумаширо К.К. 2012 г. Разрешение химических сдвигов азота-15 и протонов для подвижных сегментов эластина с помощью двумерной ЯМР-спектроскопии.J. Biol. Chem. 287, 18 201–18 209. (10.1074 / jbc.M111.285163) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Вонг, округ Колумбия, Пирсон Р. Д., Элвин С. М., Мерритт Д. Д.. 2012 г. Экспрессию резиноподобного белка резилина в развивающейся и функциональной кутикуле насекомых определяли с использованием антитела резилина Drosophila против rec 1. Dev. Дин. 241, 333–339. (10.1002 / dvdy.23724) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Lyons RE, et al. 2011 г. Молекулярная и функциональная характеристика резилина у трех отрядов насекомых.Насекомое. Biochem. Мол. Биол. 41, 881–890. (10.1016 / j.ibmb.2011.08.002) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19. Фальяс Дж. А., О’Лири Л. Э., Хартгеринк Дж. Д.. 2010 г. Синтетические имитаторы коллагена: самосборка гомотримеров, гетеротримеров и структур более высокого порядка. Chem. Soc. Ред. 39, 3510–3527. (10.1039 / b919455j) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дикерсон МБ, Сьерра А.А., Бедфорд Н.М., Лион В.Дж., Грунер В.Е., Мирау, штат Пенсильвания, Наик Р.Р. 2013. Антимикробные ткани, пленки и нановолокна на основе кератина. J. Biomed.Матер. Res. B Прил. Биоматер. 1, 5505–5514. (10.1039 / c3tb20896f) [CrossRef] [Google Scholar] 21. Энглер AJ, Сен S, Суини HL, Discher DE. 2006 г. Эластичность матрицы определяет спецификацию клонов стволовых клеток. Клетка 126, 677–689. (10.1016 / j.cell.2006.06.044) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Aigner TB, DeSimone E, Scheibel T. 2018. Биомедицинские применения материалов на основе рекомбинантного шелка. Adv. Матер. 30, 1704636 (10.1002 / adma.201704636) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Воллрат Ф., рыцарь Д.П.2001 г. Жидкокристаллическое прядение паучьего шелка. Природа 410, 541–548. (10.1038 / 35069000) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 24. Андерссон М. и др. 2017 г. Биомиметическое прядение искусственного паучьего шелка из химерного миниспидроина. Nat. Chem. Биол. 13, 262–264. (10.1038 / nchembio.2269) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25. Perrone GS, et al. 2014 г. Использование аппаратов на шелковой основе для фиксации переломов. Nat. Commun. 5, 3385 (10.1038 / ncomms4385) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Wendt H, Hillmer A, Reimers K, Kuhbier JW, Schafer-Nolte F, Allmeling C, Kasper C, Vogt PM, Delprato AM.2011 г. Искусственная кожа: культивирование различных линий клеток кожи для создания искусственного заменителя кожи на поперечно переплетенных волокнах паучьего шелка. PLoS ONE 6, e21833 (10.1371 / journal.pone.0021833) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Мойсенович М.М., и др. 2011 г. Исследования биосовместимости in vitro и in vivo рекомбинантного аналога скаффолдов спидроина 1. J. Biomed. Матер. Res. А 96А, 125–131. (10.1002 / jbm.a.32968) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 28. Альдо Л.Е., Грегор Л., Кэролин М., Жасмин В., Майкл В., Стефан Г., Шайбель Т.2012 г. Взаимодействие фибробластов различной морфологии, состоящих из искусственного белка шелка паука. Adv. Англ. Матер. 14, B67-B75. (10.1002 / adem.201180072) [CrossRef] [Google Scholar] 29. Нивисон-Смит Л., Рняк Дж., Вайс А.С. 2010 г. Синтетические микроволокна эластина человека: стабильные перекрестно-сшитые тропоэластиновые и клеточные интерактивные конструкции для приложений тканевой инженерии. Acta Biomater. 6, 354–359. (10.1016 / j.actbio.2009.08.011) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Маккенна К.А., Грегори К.В., Сарао Р.С., Маслен К.Л., Гланвилл Р.В., Хайндс М.Т.2012 г. Структурная и клеточная характеристика биоматериалов рекомбинантного человеческого тропоэластина с электропрядением. J. Biomater. Прил. 27, 219–230. (10.1177 / 0885328211399480) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бакс Д.В., Роджерс У.Р., Билек М.М., Вайс А.С. 2009 г. Адгезия клеток к тропоэластину опосредуется через С-концевой мотив GRKRK и интегрин α V β 3 . J. Biol. Chem. 284, 28 616–28 623. (10.1074 / jbc.M109.017525) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32.Робертс С., Дзурицкий М., Чилкоти А. 2015 г. Эластиноподобные полипептиды как модели белков с нарушенной структурой. FEBS Lett. 589, 2477–2486. (10.1016 / j.febslet.2015.08.029) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Элвин С.М. и др. 2005 г. Синтез и свойства сшитого рекомбинантного прорезилина. Природа 437, 999–1002. (10.1038 / nature04085) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ким И, Гилл Э., Лю JC. 2016 г. Ферментативное сшивание белков на основе резилина для применения в тканевой инженерии сосудов.Биомакромолекулы 17, 2530–2539. (10.1021 / acs.biomac.6b00500) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Fagerholm P, et al. 2010 г. Биосинтетическая альтернатива донорской ткани человека для стимуляции регенерации роговицы: 24-месячное наблюдение за фазой 1 клинического исследования. Sci. Пер. Med. 2, 46ra61 (10.1126 / scitranslmed.3001022) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Milthorpe BK. 1994 Ксенотрансплантаты для восстановления сухожилий и связок. Биоматериалы 15, 745–752. (10.1016 / 0142-9612 (94)

    -2) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37.Баез Дж., Олсен Д., Полярек Дж. В.. 2005 г. Рекомбинантные микробные системы для производства человеческого коллагена и желатина. Прил. Microbiol. Biotechnol. 69, 245–252. (10.1007 / s00253-005-0180-x) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Stein H, et al. 2009 г. Производство биоактивного, посттрансляционно модифицированного, гетеротримерного человеческого рекомбинантного коллагена типа I в трансгенном табаке. Биомакромолекулы 10, 2640–2645. (10.1021 / bm

    1b) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Пулккинен Х. Дж., Тийту В., Валонен П., Джурвелин Дж. С., Ламми М. Дж., Кивиранта И.2010 г. Конструирование хряща в рекомбинантном геле коллагена человека типа II на модели голых мышей in vivo. Остеоартроз Хрящ 18, 1077–1087. (10.1016 / j.joca.2010.05.004) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Numata K, Mieszawska-Czajkowska AJ, Kvenvold LA, Kaplan DL. 2012 г. Нанокомплексы на основе шелка с пептидами, возвращающими опухоль, для доставки опухолеспецифических генов. Макромол. Biosci. 12, 75–82. (10.1002 / mabi.201100274) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. МакДэниел-младший, Рэдфорд, округ Колумбия, Чилкоти А.2013. Унифицированная модель для дизайна de novo эластиноподобных полипептидов с настраиваемой температурой обратного перехода. Биомакромолекулы 14, 2866–2872. (10.1021 / bm4007166) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Grove TZ, Osuji CO, Forster JD, Dufresne ER, Regan L. 2010 г. Умные гели, реагирующие на стимулы, реализованные с помощью модульной конструкции белков. Варенье. Chem. Soc. 132, 14 024–14 026. (10.1021 / ja106619w) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 43. Grove TZ, Forster J, Pimienta G, Dufresne E, Regan L.2012 г. Модульный подход к созданию интеллектуальных гелей на белковой основе. Биополимеры 97, 508–517. (10.1002 / bip.22033) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Pena-Francesch A, Jung H, Hickner MA, Tyagi M, Allen BD, Demirel MC. 2018. Программируемая протонная проводимость в растяжимых и самовосстанавливающихся белках. Chem. Матер. 30, 898–905. (10.1021 / acs.chemmater.7b04574) [CrossRef] [Google Scholar] 45. Wagh YR, Pushpadass HA, Emerald FM, Nath BS. 2014 г. Приготовление и характеристика пленок из молочного белка и их применение для упаковки сыра Чеддер.J. Food Sci. Technol. 51, 3767–3775. (10.1007 / s13197-012-0916-4) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 46. Джин Э, Редди Н, Чжу З., Ян Ю. 2011 г. Прививочная полимеризация натуральных куриных перьев для применения в термопластах. J. Agric. Food Chem. 59, 1729–1738. (10.1021 / jf1039519) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 47. Цю В., Тэн В., Каппелло Дж., У X. 2009 г. Мокрое прядение из рекомбинантных шелково-эластиноподобных белковых полимерных волокон с высокой прочностью на разрыв и высокой деформируемостью. Биомакромолекулы 10, 602–608.(10.1021 / bm801296r) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 48. Цю В., Хуан Ю., Тэн В., Кон С. М., Каппелло Дж., Ву Х. 2010 г. Полный тканевый каркас на основе рекомбинантного шелк-эластиноподобного белка. Биомакромолекулы 11, 3219–3227. (10.1021 / bm100469w) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 49. Ся XX, Ван М., Линь И, Сюй Цюй, Каплан ДЛ. 2014 г. Гидрофобная самосборка наночастиц из шелково-эластиноподобных белковых полимеров, инициируемая лекарствами, для доставки лекарств. Биомакромолекулы 15, 908–914. (10.1021 / bm4017594) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 50. Тэн В., Каппелло Дж., Ву Х. 2009 г. Рекомбинантный шелк-эластиноподобный белковый полимер демонстрирует эластичность, сравнимую с эластином. Биомакромолекулы 10, 3028–3036. (10.1021 / bm1g) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 51. Густафсон Дж. А., Гандехари Х. 2010 г. Шелк-эластиноподобные белковые полимеры для матрикс-опосредованной генной терапии рака. Adv. Препарат Делив. Ред. 62, 1509–1523. (10.1016 / j.addr.2010.04.006) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 53.Моррис Р.Дж., Бромли К.М., Стэнли-Уолл Н., Макфи К.Э. 2016 г. Феноменологическое описание сборок BslA в нескольких масштабах длины. Фил. Пер. R. Soc. А 374, 20150131 (10.1098 / rsta.2015.0131) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 54. Schloss AC, et al. 2016 г. Изготовление модульно функционализируемых микрокапсул с использованием белковых технологий. ACS Biomater. Sci. Англ. 2, 1856–1861. (10.1021 / acsbiomaterials.6b00447) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 55.Уильямс Д.М., Кауфман Г., Изади Х., Гам А.Э., Пророк С.М., Вандерлик К.Т., Осуджи КО, Риган Л. 2018. Легкая иммобилизация белков с использованием специально сконструированных поверхностно-активных белков биопленок. ACS Appl. Nano Mater. 1, 2483–2488. (10.1021 / acsanm.8b00520) [CrossRef] [Google Scholar] 56. Бек Дж. С. и др. 1992 г. Новое семейство мезопористых молекулярных сит, изготовленных из жидкокристаллических шаблонов. Варенье. Chem. Soc. 114, 10 834–10 843. (10.1021 / ja00053a020) [CrossRef] [Google Scholar]

    Прошлое, настоящее и будущее белковых материалов

    Open Biol.2018 окт; 8 (10): 180113.

    Надя К. Абаскаль

    1 Кафедра молекулярной биофизики и биохимии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США

    Линн Риган

    2 Департамент междисциплинарных наук, Центр Синтетическая и системная биология, Институт количественной биологии, биохимии и биотехнологии, Школа биологических наук, Эдинбургский университет, Эдинбург, Великобритания

    1 Кафедра молекулярной биофизики и биохимии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США

    2 Департамент междисциплинарных наук, Центр синтетической и системной биологии, Институт количественной биологии, биохимии и биотехнологии, Школа биологических наук, Эдинбургский университет, Эдинбург, Великобритания

    Текущий адрес: Химический факультет, Интегрированный выпускник Программа по физической и инженерной биологии, Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, США.

    Поступила 28.06.2018; Принято 5 октября 2018 г.

    Опубликовано Королевским обществом в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, которая разрешает неограниченное использование при условии указания автора и источника. статья процитирована другими статьями в PMC.

    Abstract

    Белковые материалы находят новые применения и применения после тысячелетий воздействия на повседневную жизнь людей. Некоторые из самых ранних применений белковых материалов все еще проявляются в производстве шелковых и шерстяных тканей и кожаных изделий.Сегодня, хотя шелк, шерсть и кожа все еще используются традиционными способами, эти белки теперь рассматриваются как многообещающие материалы для биоматериалов, средств доставки лекарств и компонентов высокотехнологичных тканей. С появлением методов биосинтеза и усовершенствованных средств очистки белков материалы на основе белков – рекомбинантные и другие – используются во множестве приложений на передовых рубежах медицины, электроники, материаловедения и даже моды. Этот комментарий призван обсудить некоторые из этих приложений, при этом критически взглянув на то, где материалы на основе белков могут быть использованы в будущем.

    Ключевые слова: белковые материалы, рекомбинантные белки, биоматериалы, доставка лекарств

    1. Введение

    Белковые материалы занимали место в обществе на протяжении тысячелетий. Шелк, шерсть и кожа – особенно примечательные примеры, полученные в результате вековой практики выращивания тутовых шелкопрядов для производства шелка, разведения овец для производства шерсти и использования охотничьего улова для получения кожаных шкур. Эти материалы обладают исключительными физическими свойствами с огромным преимуществом, заключающимся в том, что они являются биологически разлагаемыми по своей природе и в конечном итоге возвращаются в биомассу Земли.Поэтому в настоящее время существует большой интерес как к производству новых материалов на белковой основе, так и к получению уже знакомых материалов различными способами.

    Шелк веками использовался для создания прекрасных тканей не только из-за его эстетического качества и редкости, но также – и, возможно, самое главное – из-за его прочности. Тутовых шелкопрядов, личинок гусениц моли B. mori , до сих пор выращивают для производства шелка с использованием методов культивирования, которые мало изменились за несколько тысяч лет. Несмотря на то, что эти методы эффективны, они требуют много времени и их нелегко масштабировать.Ключевым этапом в производстве шелка является сбор коконов (путем кипячения или протыкания их для уничтожения личинок) в оптимальное время для их развития, чтобы шелк можно было размотать, по существу, как одну длинную нить [1].

    Хотя процессы изготовления кожи обычно выполняются в гораздо большем масштабе, дубление требует времени и вредно. Многие химические и биологические вещества, необходимые для отделения кожи от материалов, таких как волосы и посторонние волокна, имеют неприятный запах, являются резкими и токсичными [2].Производство кожи всегда определялось производством мяса, но синтетический процесс может обойти эту тандемную взаимосвязь спроса и предложения. Те, кому нравится внешний вид кожи, но противятся ее методу производства, стали толчком к разработке чисто синтетической альтернативы. Кроме того, создание новых материалов из составляющих белков таких материалов, как шелк, шерсть и кожа, является перспективным в области текстиля и за ее пределами.

    До недавнего времени концепция использования натуральных волокон или синтетических материалов, полученных из них, в качестве «умных материалов» все еще оставалась недостаточно развитой областью исследований.Сегодня в литературе появляется множество новых разработок материалов на белковой основе для различных областей применения. Легкость, с которой исследователи могут программировать экспрессию любого белка, сделала использование белков в широком спектре биоматериалов привлекательным [3]. Помимо того, что они доступны и являются частью экономики замкнутого цикла исходных материалов, белковые материалы являются биосовместимыми и биоразлагаемыми – качествами, которые очень привлекательны [4]. Более того, поскольку многие структурные белки представляют собой полимерные материалы, состоящие из дискретных повторов аминокислотных последовательностей, они имеют высокую модульность, что облегчает манипуляции с ними [5].Определенная аминокислотная последовательность, которая, как обнаружено, придает привлекательные характеристики, часто может быть слита с другим белком, таким образом сочетая привлекательные качества обоих; например, сочетание последовательности, придающей белку его прочность, с другой последовательностью, придающей ему эластичность, может привести к получению прочного, но эластичного материала. Внутренняя сила и эластичность природных белков, таких как шелк, эластин, резилин, коллаген и кератин, поставили эти белки в центр таких исследований [3].Кроме того, композитные материалы, которые представляют собой шелк, эластин, резилин, коллаген, кератин или некоторые их комбинации, или которые включают неорганические компоненты, также оказываются многообещающими во многих областях применения биоматериалов [3].

    Здесь мы даем неисчерпывающий обзор последних достижений в исследованиях и разработках материалов на белковой основе. Будут рассмотрены как натуральные волокна, так и синтетические материалы с учетом множества применений, а также преимуществ и ограничений их использования.

    2. Состав материала

    Структурные составы наиболее распространенных белков, используемых в материалах (например, шелк, эластин, резилин, коллаген и кератин), имеют характерные особенности, которые лежат в основе их исключительной механической прочности и эластичности (). Уникальные свойства этих белков неразрывно связаны с их составом, как правило, с множественными тандемными повторами коротких аминокислотных последовательностей. В зависимости от того, как эти аминокислоты связаны, белок будет наделен определенными качествами, нетипичными для обычных глобулярных белков.

    Все материалы, представленные здесь, имеют природные источники и консервативные повторяющиеся аминокислоты в их первичных структурах.

    2.1. Состав шелка

    Шелк состоит из двух отдельных компонентов: основного белка фиброина и его клеевидного покрывающего серицина, который удаляется перед переработкой волокна в пригодные для использования материалы. Некоторые исследователи независимо исследуют сам серицин на предмет его потенциального использования в качестве материала [6], но наше внимание сосредоточено на материалах на основе фиброина [7].

    Ключевые компоненты фиброина, которые лежат в основе его механических свойств, представляют собой плотно упакованные антипараллельные β-слои, иногда называемые кристаллитами, образованные участками повторов белка, богатыми глицином и аланином () [8].

    2.2. Состав эластина

    Эластин является основным структурным белком млекопитающих, который присутствует в кровеносных сосудах, эпителии легких, коже и других тканях [9]. На структурном уровне эластин состоит из тандемных тетра-, пента- и гекса-повторов дискретных пептидных последовательностей, состоящих преимущественно из гидрофобных остатков, таких как валин, аланин, глицин и пролин.Эти последовательности перемежаются более гидрофильными доменами, богатыми лизиновыми и аланиновыми повторами [10]. Модели эластина предполагают, что растяжение уменьшает энтропию (то есть выталкивает молекулы воды из структуры), так что будет энтропийная движущая сила для характерной эластичности эластина [11,12].

    2.3. Состав резилина

    Резилин представляет собой гибкий и растяжимый структурный белок, обнаруженный у насекомых. Он назван за его устойчивость к повторяющимся упражнениям на растяжку и расслабление.Способность Ресилина накапливать механическую энергию дает насекомым способность эффективно прыгать и летать [13]. Резилин имеет три домена, которые состоят из N-концевого домена с восемнадцатью 11-аминокислотными повторами (экзон I), среднего хитинсвязывающего домена (экзон II) и C-концевого домена с одиннадцатью 13-аминокислотными повторами (экзон III). Домены, содержащие N- и C-концевые повторы, по-видимому, являются ключевыми для уникальных свойств белка. Экзон I представляет собой эластичный, очень эластичный, «мягкий» домен, тогда как C-концевой домен «жесткий» и значительно менее эластичный.Эксперименты с изменением последовательности повторов выявили порог содержания глицина и пролина, выше которого повторяющиеся структуры являются эластичными. Как N-, так и C-концевые домены, как предсказывают, будут неупорядоченными, с N-концевым доменом, дополнительно предсказываемым, чтобы иметь некоторую предрасположенность к структуре β-витков [14].

    При термическом воздействии или механическом стрессе экзон III может трансформироваться в более упорядоченную структуру β-витков. Связанная энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая используется при прыжках или полетах насекомых.После использования этой кинетической энергии экзон III охлаждается и расслабляется, возвращаясь к своей исходной конформации [14]. Первичная структура резилина в некоторой степени консервативна у разных насекомых, поскольку повторы YGAP являются общими в N-концевом домене [15]. Однако точная последовательность резилина варьируется от источника к источнику (т. Е. Резилин комаров отличается от резилина плодовой мушки), хотя одной из наиболее часто используемых повторяющихся последовательностей для рекомбинантного резилина является последовательность из A. gambiae , AQTPSSQYGAP [16].

    2.4. Состав коллагена

    Подобно резилину, коллаген является высококонсервативным структурным белком. Это самый распространенный структурный белок в тканях млекопитающих. Фундаментальная структура – три α-спиральные цепи, которые объединяются как гомо- или гетеротримеры [17]. Эти тримеры затем собираются в более сложные супрамолекулярные структуры, включая фибриллы, бусинчатые филаменты, закрепляющие фибриллы, сети и гексагональные сети [17]. В первичной структуре коллагена преобладают повторы глицин-X-Y, где X обычно представляет собой гидроксипролин, а Y представляет собой пролин [18].Считается, что присутствие гидроксипролина в коллагене способствует его термостабильности; мутации, которые удаляют гидроксипролин из различных точек последовательности коллагена, значительно снижают температуру его термической денатурации [19].

    2.5. Кератиновый состав

    Кератин – еще один примечательный белок этого класса. Это структурный белок, содержащийся в чешуе и когтях рептилий, клювах и перьях птиц (β-кератин), а также в волосах и шерсти млекопитающих (α-кератин) [20]. Хотя как α-, так и β-кератин объединяет то, что они богаты аминокислотой цистеином и имеют довольно большое количество дисульфидных поперечных связей, они существенно различаются по своей структуре.α-кератин представляет собой спиральный белок, который собирается в спиральные спирали и, в конечном итоге, спиральные филаменты. Напротив, β-кератин образует бета-листы, которые также собираются в филаменты более высокого порядка. Как α-, так и β-кератин, как правило, в своей функциональной форме встроены в аморфную кератиновую матрицу. β-кератин также может находиться в аморфной форме и участвовать в других функциях, в том числе в качестве основы структурного цвета некоторых перьев птиц.

    Нерастворимость и повсеместность кератина в сельскохозяйственных отходах, таких как куриные перья и неподходящая шерсть, делают его особенно привлекательным для применения в биоматериалах [20].Присутствие последовательностей клеточной адгезии аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (RGD) и лейцин-аспарагиновая кислота-валин (LDV) в естественной последовательности кератина также увеличивает его потенциал для использования в качестве матрицы для роста клеток [20]. Индивидуальные структурные качества кератина, шелка, эластина, резилина и коллагена, а также общие характеристики биосовместимости и биоразлагаемости этих материалов – все это способствует тому, что они находятся на переднем крае исследований биоматериалов.

    3. Области применения

    Белковые материалы обладают особыми перспективами в том смысле, что их можно настраивать и изменять как химический состав, так и их морфологию.Многочисленные способы обработки сырого протеина из этих материалов позволяют исследователям производить такую ​​форму протеина, которая лучше всего подходит для конкретного применения. Например, белок может быть переработан так, что его пластичность и мягкость имитируют условия, которые стимулируют дифференцировку клеток [21], тем самым добавляя еще один уровень к биосовместимости этих материалов и широте их применения.

    Шелк был в авангарде исследований этого типа. Один из видов шелка, производимого пауками, – драглайновый шелк, – даже прочнее традиционного шелка, полученного из шелкопряда.Производство драглайнового шелка из пауков – гораздо более сложное дело, чем производство традиционного шелка из тутового шелкопряда. Шелк драглайна должен производиться из отдельных пауков, которых трудно, если вообще возможно, выращивать в неволе, и поэтому урожай будет мизерным.

    Следовательно, существует большой интерес к разработке методов рекомбинантного производства как традиционного шелка, так и шелка драглайна с потенциалом повышения урожайности и получения более стабильного продукта. Хотя оказалось, что экспрессировать рекомбинантный фиброин (ключевой белок шелка) относительно легко, разработка методов получения волокон из этих мономеров затруднена.Используются различные стратегии, включая различные процедуры обработки и экспрессии [22].

    Железа, отвечающая за производство шелка драглайна у пауков, состоит из хвостовидной области и более широкого мешка [23]. Хвостообразная область выделяет так называемый «прядильный раствор», который представляет собой водный раствор белка, из которого формируется шелковое волокно [23]. Мешок действует как хранилище и направляет раствор в сложный проток, заканчивающийся клапаном [23]. В то время как усилие сдвига канала способствует конденсации белка в твердый материал, градиент pH (от 7.От 6 до менее 5,7) над железой индуцирует конформационные изменения фиброина, так что стимулируется образование волокон [24]. Повторение такого механизма преобразования рекомбинантных белков фиброина шелка в шелковые волокна масштабируемым образом является основным препятствием на пути к производству больших количеств рекомбинантной шелковой ткани. Компания Bolt Threads разработала запатентованный метод производства шелка для драглайнов и заключила контракт с модельером Стеллой Маккартни на линию одежды из шелка для драглайнов (), и на сегодняшний день сообщается об одном шелковом платье для драглайнов [1].

    Платье, созданное Стеллой Маккартни из синтетического шелка драглайн. (Изображение предоставлено Bolt Threads.)

    Разрабатываются различные процессы для использования рекомбинантного фиброина шелка (наиболее часто экспрессируемого в E. coli ) в различных приложениях, помимо подготовки нитей для одежды () [22]. После лиофилизации очищенного фиброина белок можно обработать и отлить в несколько морфологий, подходящих для конкретных применений. Фиброин может быть электроспряден в нановолокна, самособираться или мокрым способом в микроволокна, самособираться в гидрогели, растворяться в мезопористых пенах, десольватироваться с образованием частиц, эмульгироваться в капсулы или отливаться в пленки [22].Эти материалы на основе шелка были превращены в биоразлагаемые винты или пластины с помощью процесса на основе растворителя, используемого для восстановления переломов костей [25]. Шелк паука драглайна также использовался для изготовления искусственной кожи [26]. Пористые каркасы, гидрогели, пленки и электроспряденные волокна используются для стимулирования роста тканей во время подкожной имплантации, например, при заживлении ран и тканевой инженерии [27,28]. Преимущество создания гидрогелей из белков состоит в том, что функция может быть легко введена в структурную матрицу.Например, последовательность RGD может быть введена в белок, чтобы стимулировать прикрепление клеток к гелю [28].

    Формы, в которых материалы на основе синтетического шелка и других белков могут принимать различные формы. (Изображение адаптировано с разрешения Advanced Materials.)

    Другие белки также были исследованы на предмет их потенциального применения в тканевой инженерии. Материалы на основе эластина и эластина также могут быть превращены в биосовместимые электропряденые волокна и гидрогели [3,29,30].Кроме того, белок эластина и эластиноподобные пептиды являются гидрофильными и взаимодействуют с клетками через положительно заряженный С-концевой домен GRKRK, используемый для связывания интегрина [31]. Кроме того, настройка составных повторов эластина с переменным остатком позволяет настраивать свойства эластиноподобных пептидов [32].

    Ресилин и материалы на его основе были превращены в гидрогели для потенциального использования в тканевой инженерии [33]. Ключевой особенностью структуры резилина является наличие необычных тирозин-тирозиновых поперечных связей.Они могут быть введены в материалы рекомбинантного резилина с использованием химического окисления или фермента трансглутамазы. Используя такие стратегии перекрестного связывания, из рекомбинантного резилина были созданы гидрогели, которые имитируют эластичные свойства субэндотелиального слоя сосудистой системы, тем самым обеспечивая многообещающий материал для регенерации сосудистой ткани и долговременного прикрепления клеток [34].

    Наконец, коллаген и материалы на его основе нашли применение во многих областях в этой области, включая, довольно успешно, в имплантатах роговицы [35].Коллаген использовался для тканевых трансплантатов и превратился в пористый гель, который способствует возобновлению роста тканей [36]. Рекомбинантный коллаген (экспрессируемый в дрожжах или растениях) является привлекательной альтернативой коллагену, полученному от животных, и содержит мало контаминантов [37–39].

    Кроме того, Modern Meadows разработала метод, с помощью которого белок коллагена, продуцируемый клетками дрожжей, может быть очищен и переработан в кожаные листы () [2]. Их точная процедура является запатентованной, но компания может производить продукт, который больше не ограничивается размером и формой животного, а также поставкой кожи в качестве мясного продукта [2].

    Помимо этих разнообразных применений, белковые материалы также использовались для доставки лекарств. Для этой цели материалы на основе шелка были превращены в наночастицы, которые были объединены с различными пептидами для настройки способов доставки [3]. Экспрессируя белок фиброин шелка, слитый с пептидом, который отрицательно заряжен при физиологическом pH, доставка лекарства может быть сделана зависимой от pH. Эффективность инкапсуляции положительно заряженного лекарства высока при физиологическом pH, тогда как в среде опухоли с низким pH связывание ослабляется, и груз лекарства высвобождается [40].Рекомбинантный шелк, содержащий поли (l-лизин) домены, также был разработан для содержания пептидов, связывающихся с опухолевыми клетками, так что ДНК может доставляться специфично для мишени [40]. Эластин и материалы на основе эластина могут быть превращены в реагирующие на раздражители полимеры путем манипулирования аминокислотами, добавленными к модульной повторяющейся последовательности эластина, или путем изменения самой повторяющейся последовательности [41]. Отслеживание того, как свойства изменяются в результате этих модификаций, обеспечивает более глубокое понимание того, как физические свойства материала определяются аминокислотной последовательностью [41–43].

    Помимо тканевой инженерии и доставки лекарств, белковые материалы показали себя многообещающими в качестве проводящих и антимикробных материалов и упаковки. Синтетические материалы, состоящие из тандемных повторов аминокислот, демонстрируют востребованные свойства для применения в энергетике и электронных технологиях [44]. Например, последовательности тандемных повторов, мотивы чередующихся A, V, S, T, H-богатых и G, L, Y-богатых сегментов, происходящие из белков кольцевых зубов кальмаров (мягкий, но прочный белок, присутствующий в присосках кальмаров ‘щупальца), которые, как сообщается, демонстрируют самую высокую объемную протонную проводимость среди всех протестированных биоматериалов [44].

    Кератин, или шерсть, может быть легко функционализирован путем хлорирования для получения материала, заряженного галогеном [20]. В виде тканей, пленок или нановолокон кератин, заряженный галамином, обладает антибактериальными свойствами [20]. Кроме того, эти материалы сохраняют свою эффективность даже после многократного мытья. Кератин, заряженный галамином, может играть важную роль в производстве материалов для множества целей [20].

    Белковые материалы также дают возможность использовать «богатые белком отходы» в новых сферах применения.Многие продукты получают «покрытие» для поддержания гидратации и предотвращения проникновения кислорода, поскольку оба эти процесса связаны с ухудшением качества продукта. Обертки на пластиковой основе широко используются, но как не поддающиеся биологическому разложению продукты, после чего они накапливаются как отходы. Поэтому существует значительный интерес к созданию покрытий с подходящей прочностью на разрыв и эластичностью из источников белка, которые в противном случае были бы выброшены. Такие покрытия на белковой основе, помимо уменьшения порчи, в идеале не имели бы вкуса, и поэтому их можно было либо употреблять в пищу вместе с продуктом, который они покрывают, либо снимать, биоразлагать и возвращать в землю.Два источника избыточного белкового материала, которые в противном случае пошли бы в отходы, – это казеин в избытке молока из молочной промышленности и кератин в отходах перьев птицеводства, оба из которых могут быть использованы в качестве пищевых покрытий и других применений. . В этих примерах эти белки получены из их первоначальных источников, но используются в различных составах для производства новых материалов [45,46].

    Другой аспект материалов на белковой основе, который начинает изучаться, – это идея объединения более чем одного белка для получения материала, который демонстрирует желаемые характеристики обоих.Одним из особенно примечательных примеров являются шелковые эластиноподобные пептиды (SELP), которые были электроспрядены и использованы для создания биосовместимых волокнистых каркасов с приложениями в тканевой инженерии [47, 48], а также гидрогели и наночастицы для доставки лекарств [49-51] ].

    4. Перспективы и выводы

    Использование материалов на белковой основе становится все более распространенным в широком диапазоне областей и приложений. Обсуждаемые выше примеры в основном касались волокнистых белков; однако потенциал использования глобулярных белков с необычными физическими свойствами для создания новых материалов также начинает использоваться.Одним из примеров является BslA, бактериальный гидрофобин, который самособирается на гидрофобных / гидрофильных границах раздела с образованием прочных монослоев. Было показано, что он стабилизирует капли эмульсии, обеспечивая возможность доставки лекарств [52,53] и может даже использоваться для покрытия мороженого, чтобы замедлить его таяние [52,53]. Совсем недавно были разработаны стратегии белковой инженерии для функционализации BslA после того, как он собрался в монослой [54,55], что позволило исследователям еще больше расширить потенциал покрытий на основе BslA для более широкого круга приложений, включая зондирование.

    Белковые материалы предлагают множество возможностей для адаптации макроскопических свойств материала путем изменения либо последовательностей белков, из которых они сделаны, либо способов их обработки. Возможности применения таких материалов, некоторые из которых обсуждались в этом обзоре, огромны. Кроме того, их внутренняя биоразлагаемость и их роль в экономике замкнутого цикла, превращая продукты, которые в противном случае пошли бы в отходы, в новые полезные материалы, имеют неоценимое значение.Появление самоочищающихся тканей, включающих в себя волокна на основе протеина, легированных липазой, или носимые датчики, которые могут предупредить пользователя о надвигающейся неотложной медицинской помощи, ближе к реальности, чем к научной фантастике. Материалы на основе белков быстро развиваются, чтобы вскоре стать заметными вариантами решения проблем биомедицинской инженерии, материаловедения, управления отходами и не только.

    5. Определения

    Многие термины, связанные с биоматериалами, определены довольно свободно, с широкими толкованиями, в то время как другие определены более точно.Поэтому важно указать значение нескольких часто используемых терминов в данной области. Некоторые из этих терминов встречаются в этом комментарии.

    Биосовместимость. Биосовместимый материал может взаимодействовать с живыми клетками или живым организмом, не вызывая отрицательного ответа. Определение «отрицательный ответ» довольно расплывчато и, как правило, зависит от конкретного приложения. Часто этот термин используется для описания материалов, которые используются в качестве каркасов для роста клеток и тканей или в приложениях с контролируемым высвобождением лекарств.

    Биоразлагаемый . Биоразлагаемый материал может разрушаться естественными или биологическими процессами. Мы используем этот термин, чтобы обозначить, что такое ухудшение будет происходить «в течение разумного периода времени» и при различных условиях. Сам термин не подразумевает конкретный временной масштаб или эффективность деградации в данных условиях.

    Круговая экономика. В экономике замкнутого цикла материалы используются повторно и перерабатываются. Например, отходы одного процесса не выбрасываются, а используются в качестве сырья для другого процесса.Он воспринимается как более устойчивая альтернатива традиционной линейной экономике (производство, использование и утилизация).

    Модуль упругости. Сопротивление материала упругой (т. Е. Обратимой) деформации под действием напряжения. Чем менее эластичен (т.е. более жесткий) материал, тем выше его модуль упругости.

    Электропрядение. Способ производства очень тонких волокон, при котором заряженные нити раствора полимера (или белка) притягиваются к противоположно заряженной пластине.Обычно используется в небольших масштабах, но несколько компаний по всему миру предлагают расширенные возможности.

    Мезопористый. Материал имеет много пор среднего размера (от 2 до 50 нм в диаметре) [56].

    Самоочистка . Материал, который может вступать в реакцию с загрязняющими веществами, делая их безвредными. Часто это означает включение в материал фермента; например, ферменты, разлагающие фосфорорганические соединения, встроенные в фильтры для удаления пестицидов из воды или в защитную одежду для противодействия атакам нервно-паралитических агентов.

    Самовосстановление. Самовосстанавливающийся материал автоматически устраняет любые повреждения без дополнительного вмешательства. Многие белковые материалы обладают способностью непрерывно восстанавливать себя, спонтанно образуя новые связи после их разрыва. Это явление часто наблюдается в гидрогелях на белковой основе.

    Исцеление от деформации . В повторяющихся циклах растяжения и расслабления материал становится прочнее. Первый цикл растяжения фактически помогает устранить некоторые недостатки, а после расслабления материал теперь улучшается.

    Предел прочности . Максимальное напряжение, которое может выдержать материал до того, как он сломается.

    Предел текучести . Точка, в которой поведение под стрессом перестает быть эластичным.

    Благодарности

    Авторы благодарят Куррана Ои и Кристофера Шугру за их внимательное чтение и конструктивные комментарии. Кроме того, авторы благодарят Институт биологических, физических и технических наук Раймонда и Беверли Саклер, NIH и NSF за их поддержку.

    Доступность данных

    В этом комментарии нет дополнительных данных.

    Вклад авторов

    N.C.A. и Л. в равной степени способствовал концепции этого комментария. N.C.A. был в первую очередь ответственным за его написание, в то время как L.R. в первую очередь отвечал за его редактирование и исправление.

    Конкурирующие интересы

    Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Финансирование

    Эта работа финансировалась Институтом биологических, физических и технических наук Раймонда и Беверли Саклер, Национальным институтом здравоохранения (GM118528) и Национальным научным фондом (MRSEC DMR-1119826).

    Ссылки

    3. Desai MS, Lee SW. 2015 г. Дизайн функциональных наноматериалов на основе белков для приложений биоинженерии. Wiley Interdiscip. Преподобный Наномед. Nanobiotechnol. 7, 69–97. (10.1002 / wnan.1303) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 4. Лин CY, Лю JC. 2016 г. Модульные белковые домены: инженерный подход к функциональным биоматериалам. Curr. Opin. Biotechnol. 40, 56–63. (10.1016 / j.copbio.2016.02.011) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 5. Фриман Р., Бэкховен Дж., Дикерсон МБ, Наик Р.Р., Ступп С.И.2015 г. Биополимеры и супрамолекулярные полимеры как биоматериалы для биомедицинских приложений. МИССИС БЫК. 40, 1089–1101. (10.1557 / mrs.2015.270) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 6. Ван З. и др. 2015 г. Изучение натурального протеина шелка серицина для регенеративной медицины: инъекционный фотолюминесцентный адгезивный 3D-гидрогель для клеток. Sci. Rep. 4, 7064 (10.1038 / srep07064) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 7. Го И, Ли Х, Чжан Цюй, Янь С., Ю Р. 2017 г. Растворение и регенерация немелковицы. Eriogyna pyretorum фиброин шелка.Матер. Res. Выражать. 4, 105 404. (10.1088 / 2053-1591 / aa8e07) [CrossRef] [Google Scholar] 8. Чо Си, Юн Й.С., Чан Ди, Чон Дж. У., Ким Б. Х., Ли С., Джин Х. Дж. 2017 г. Сверхпрочные пиропротеиновые волокна с дальним порядком. Nat. Commun. 8, 74 (10.1038 / s41467-017-00132-3) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 9. Мудрый SG, Mithieux SM, Weiss AS. 2009 г. Разработаны биоматериалы на основе тропоэластина и эластина. В «Достижения в химии белков и структурной биологии» 78 (изд. Макферсон А.), стр. 1–24.Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Academic Press. [PubMed] [Google Scholar] 10. Vrhovski B, Weiss AS. 1998 г. Биохимия тропоэластина. Евро. J. Biochem. 258, 1–18. (10.1046 / j.1432-1327.1998.2580001.x) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Gosline JM. 1978 г. Гидрофобное взаимодействие и модель эластичности эластина. Биополимеры 17, 677–695. (10.1002 / bip.1978.360170311) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Охго К., Ниемчура В.П., Сикат БК, Мудрый С.Г., Вайс А.С., Кумаширо К.К. 2012 г. Разрешение химических сдвигов азота-15 и протонов для подвижных сегментов эластина с помощью двумерной ЯМР-спектроскопии.J. Biol. Chem. 287, 18 201–18 209. (10.1074 / jbc.M111.285163) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Вонг, округ Колумбия, Пирсон Р. Д., Элвин С. М., Мерритт Д. Д.. 2012 г. Экспрессию резиноподобного белка резилина в развивающейся и функциональной кутикуле насекомых определяли с использованием антитела резилина Drosophila против rec 1. Dev. Дин. 241, 333–339. (10.1002 / dvdy.23724) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Lyons RE, et al. 2011 г. Молекулярная и функциональная характеристика резилина у трех отрядов насекомых.Насекомое. Biochem. Мол. Биол. 41, 881–890. (10.1016 / j.ibmb.2011.08.002) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19. Фальяс Дж. А., О’Лири Л. Э., Хартгеринк Дж. Д.. 2010 г. Синтетические имитаторы коллагена: самосборка гомотримеров, гетеротримеров и структур более высокого порядка. Chem. Soc. Ред. 39, 3510–3527. (10.1039 / b919455j) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Дикерсон МБ, Сьерра А.А., Бедфорд Н.М., Лион В.Дж., Грунер В.Е., Мирау, штат Пенсильвания, Наик Р.Р. 2013. Антимикробные ткани, пленки и нановолокна на основе кератина. J. Biomed.Матер. Res. B Прил. Биоматер. 1, 5505–5514. (10.1039 / c3tb20896f) [CrossRef] [Google Scholar] 21. Энглер AJ, Сен S, Суини HL, Discher DE. 2006 г. Эластичность матрицы определяет спецификацию клонов стволовых клеток. Клетка 126, 677–689. (10.1016 / j.cell.2006.06.044) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Aigner TB, DeSimone E, Scheibel T. 2018. Биомедицинские применения материалов на основе рекомбинантного шелка. Adv. Матер. 30, 1704636 (10.1002 / adma.201704636) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Воллрат Ф., рыцарь Д.П.2001 г. Жидкокристаллическое прядение паучьего шелка. Природа 410, 541–548. (10.1038 / 35069000) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 24. Андерссон М. и др. 2017 г. Биомиметическое прядение искусственного паучьего шелка из химерного миниспидроина. Nat. Chem. Биол. 13, 262–264. (10.1038 / nchembio.2269) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25. Perrone GS, et al. 2014 г. Использование аппаратов на шелковой основе для фиксации переломов. Nat. Commun. 5, 3385 (10.1038 / ncomms4385) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Wendt H, Hillmer A, Reimers K, Kuhbier JW, Schafer-Nolte F, Allmeling C, Kasper C, Vogt PM, Delprato AM.2011 г. Искусственная кожа: культивирование различных линий клеток кожи для создания искусственного заменителя кожи на поперечно переплетенных волокнах паучьего шелка. PLoS ONE 6, e21833 (10.1371 / journal.pone.0021833) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Мойсенович М.М., и др. 2011 г. Исследования биосовместимости in vitro и in vivo рекомбинантного аналога скаффолдов спидроина 1. J. Biomed. Матер. Res. А 96А, 125–131. (10.1002 / jbm.a.32968) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 28. Альдо Л.Е., Грегор Л., Кэролин М., Жасмин В., Майкл В., Стефан Г., Шайбель Т.2012 г. Взаимодействие фибробластов различной морфологии, состоящих из искусственного белка шелка паука. Adv. Англ. Матер. 14, B67-B75. (10.1002 / adem.201180072) [CrossRef] [Google Scholar] 29. Нивисон-Смит Л., Рняк Дж., Вайс А.С. 2010 г. Синтетические микроволокна эластина человека: стабильные перекрестно-сшитые тропоэластиновые и клеточные интерактивные конструкции для приложений тканевой инженерии. Acta Biomater. 6, 354–359. (10.1016 / j.actbio.2009.08.011) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Маккенна К.А., Грегори К.В., Сарао Р.С., Маслен К.Л., Гланвилл Р.В., Хайндс М.Т.2012 г. Структурная и клеточная характеристика биоматериалов рекомбинантного человеческого тропоэластина с электропрядением. J. Biomater. Прил. 27, 219–230. (10.1177 / 0885328211399480) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Бакс Д.В., Роджерс У.Р., Билек М.М., Вайс А.С. 2009 г. Адгезия клеток к тропоэластину опосредуется через С-концевой мотив GRKRK и интегрин α V β 3 . J. Biol. Chem. 284, 28 616–28 623. (10.1074 / jbc.M109.017525) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32.Робертс С., Дзурицкий М., Чилкоти А. 2015 г. Эластиноподобные полипептиды как модели белков с нарушенной структурой. FEBS Lett. 589, 2477–2486. (10.1016 / j.febslet.2015.08.029) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Элвин С.М. и др. 2005 г. Синтез и свойства сшитого рекомбинантного прорезилина. Природа 437, 999–1002. (10.1038 / nature04085) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Ким И, Гилл Э., Лю JC. 2016 г. Ферментативное сшивание белков на основе резилина для применения в тканевой инженерии сосудов.Биомакромолекулы 17, 2530–2539. (10.1021 / acs.biomac.6b00500) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Fagerholm P, et al. 2010 г. Биосинтетическая альтернатива донорской ткани человека для стимуляции регенерации роговицы: 24-месячное наблюдение за фазой 1 клинического исследования. Sci. Пер. Med. 2, 46ra61 (10.1126 / scitranslmed.3001022) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Milthorpe BK. 1994 Ксенотрансплантаты для восстановления сухожилий и связок. Биоматериалы 15, 745–752. (10.1016 / 0142-9612 (94)

    -2) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37.Баез Дж., Олсен Д., Полярек Дж. В.. 2005 г. Рекомбинантные микробные системы для производства человеческого коллагена и желатина. Прил. Microbiol. Biotechnol. 69, 245–252. (10.1007 / s00253-005-0180-x) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Stein H, et al. 2009 г. Производство биоактивного, посттрансляционно модифицированного, гетеротримерного человеческого рекомбинантного коллагена типа I в трансгенном табаке. Биомакромолекулы 10, 2640–2645. (10.1021 / bm

    1b) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Пулккинен Х. Дж., Тийту В., Валонен П., Джурвелин Дж. С., Ламми М. Дж., Кивиранта И.2010 г. Конструирование хряща в рекомбинантном геле коллагена человека типа II на модели голых мышей in vivo. Остеоартроз Хрящ 18, 1077–1087. (10.1016 / j.joca.2010.05.004) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Numata K, Mieszawska-Czajkowska AJ, Kvenvold LA, Kaplan DL. 2012 г. Нанокомплексы на основе шелка с пептидами, возвращающими опухоль, для доставки опухолеспецифических генов. Макромол. Biosci. 12, 75–82. (10.1002 / mabi.201100274) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. МакДэниел-младший, Рэдфорд, округ Колумбия, Чилкоти А.2013. Унифицированная модель для дизайна de novo эластиноподобных полипептидов с настраиваемой температурой обратного перехода. Биомакромолекулы 14, 2866–2872. (10.1021 / bm4007166) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Grove TZ, Osuji CO, Forster JD, Dufresne ER, Regan L. 2010 г. Умные гели, реагирующие на стимулы, реализованные с помощью модульной конструкции белков. Варенье. Chem. Soc. 132, 14 024–14 026. (10.1021 / ja106619w) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 43. Grove TZ, Forster J, Pimienta G, Dufresne E, Regan L.2012 г. Модульный подход к созданию интеллектуальных гелей на белковой основе. Биополимеры 97, 508–517. (10.1002 / bip.22033) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Pena-Francesch A, Jung H, Hickner MA, Tyagi M, Allen BD, Demirel MC. 2018. Программируемая протонная проводимость в растяжимых и самовосстанавливающихся белках. Chem. Матер. 30, 898–905. (10.1021 / acs.chemmater.7b04574) [CrossRef] [Google Scholar] 45. Wagh YR, Pushpadass HA, Emerald FM, Nath BS. 2014 г. Приготовление и характеристика пленок из молочного белка и их применение для упаковки сыра Чеддер.J. Food Sci. Technol. 51, 3767–3775. (10.1007 / s13197-012-0916-4) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 46. Джин Э, Редди Н, Чжу З., Ян Ю. 2011 г. Прививочная полимеризация натуральных куриных перьев для применения в термопластах. J. Agric. Food Chem. 59, 1729–1738. (10.1021 / jf1039519) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 47. Цю В., Тэн В., Каппелло Дж., У X. 2009 г. Мокрое прядение из рекомбинантных шелково-эластиноподобных белковых полимерных волокон с высокой прочностью на разрыв и высокой деформируемостью. Биомакромолекулы 10, 602–608.(10.1021 / bm801296r) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 48. Цю В., Хуан Ю., Тэн В., Кон С. М., Каппелло Дж., Ву Х. 2010 г. Полный тканевый каркас на основе рекомбинантного шелк-эластиноподобного белка. Биомакромолекулы 11, 3219–3227. (10.1021 / bm100469w) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 49. Ся XX, Ван М., Линь И, Сюй Цюй, Каплан ДЛ. 2014 г. Гидрофобная самосборка наночастиц из шелково-эластиноподобных белковых полимеров, инициируемая лекарствами, для доставки лекарств. Биомакромолекулы 15, 908–914. (10.1021 / bm4017594) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 50. Тэн В., Каппелло Дж., Ву Х. 2009 г. Рекомбинантный шелк-эластиноподобный белковый полимер демонстрирует эластичность, сравнимую с эластином. Биомакромолекулы 10, 3028–3036. (10.1021 / bm1g) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 51. Густафсон Дж. А., Гандехари Х. 2010 г. Шелк-эластиноподобные белковые полимеры для матрикс-опосредованной генной терапии рака. Adv. Препарат Делив. Ред. 62, 1509–1523. (10.1016 / j.addr.2010.04.006) [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 53.Моррис Р.Дж., Бромли К.М., Стэнли-Уолл Н., Макфи К.Э. 2016 г. Феноменологическое описание сборок BslA в нескольких масштабах длины. Фил. Пер. R. Soc. А 374, 20150131 (10.1098 / rsta.2015.0131) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 54. Schloss AC, et al. 2016 г. Изготовление модульно функционализируемых микрокапсул с использованием белковых технологий. ACS Biomater. Sci. Англ. 2, 1856–1861. (10.1021 / acsbiomaterials.6b00447) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 55.Уильямс Д.М., Кауфман Г., Изади Х., Гам А.Э., Пророк С.М., Вандерлик К.Т., Осуджи КО, Риган Л. 2018. Легкая иммобилизация белков с использованием специально сконструированных поверхностно-активных белков биопленок. ACS Appl. Nano Mater. 1, 2483–2488. (10.1021 / acsanm.8b00520) [CrossRef] [Google Scholar] 56. Бек Дж. С. и др. 1992 г. Новое семейство мезопористых молекулярных сит, изготовленных из жидкокристаллических шаблонов. Варенье. Chem. Soc. 114, 10 834–10 843. (10.1021 / ja00053a020) [CrossRef] [Google Scholar]

    Как определять и изучать структурные белки как биополимерные материалы

  • 1.

    Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, Saenz A, Casals C, Rising A. et al. Самосборка белков паучьего шелка контролируется pH-чувствительным реле. Природа. 2010; 465: 236–8.

    PubMed CAS Google ученый

  • 2.

    Hagn F, Eisoldt L, Hardy JG, Vendrely C, Coles M, Scheibel T. et al. Консервативный домен паучьего шелка действует как молекулярный переключатель, который контролирует сборку волокна. Природа. 2010; 465: 239–42.

    PubMed CAS Google ученый

  • 3.

    Цучия К., Нумата К. Химический синтез мультиблочных сополипептидов, вдохновленный белками шелка драглайна пауков. ACS Macro Lett. 2017; 6: 103–6.

    CAS Google ученый

  • 4.

    Babb PL, Lahens NF, Correa-Garhwal SM, Nicholson DN, Kim EJ, Hogenesch JB. и другие. Геном Nephila clavipes подчеркивает разнообразие генов паучьего шелка и их сложную экспрессию. Нат Жене. 2017; 49: 895–903.

    PubMed CAS Google ученый

  • 5.

    Vollrath F, Porter D, Holland C. Из паучьего шелка еще предстоит извлечь много уроков. Мягкая материя. 2011; 7: 9595–600.

    CAS Google ученый

  • 6.

    Каташима Т., Малайский А.Д., Нумата К. Химическая модификация и биосинтез шелкоподобных полимеров. Curr Opin Chem Eng. 2019; 24: 61–8.

    Google ученый

  • 7.

    Gosline JM, Denny MW, DeMont ME. Паучий шелк как резина.Природа. 1984; 309: 551–2.

    CAS Google ученый

  • 8.

    Gosline JM, Guerette PA, Ortlepp CS, Savage KN. Механический дизайн паучьего шелка: от последовательности фиброина до механической функции. J Exp Biol. 1999; 202: 3295–303.

    PubMed CAS Google ученый

  • 9.

    Малайский А.Д., Аракава К., Нумата К. Анализ повторяющихся аминокислотных мотивов раскрывает существенные особенности белков шелка драглайна пауков.Plos ONE. 2017; 12: e0183397.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 10.

    Ядзава К., Исида К., Масунага Х., Хикима Т., Нумата К. Влияние содержания воды на формирование бета-листа, термическую стабильность, удаление воды и механические свойства шелковых материалов. Биомакромолекулы. 2016; 17: 1057–66.

    PubMed CAS Google ученый

  • 11.

    Yazawa K, Malay AD, Masunaga H, Numata K.Comms Mater. 2020; 1:10.

  • 12.

    Нумата К., Масунага Х., Хикима Т., Сасаки С., Секияма К., Таката М. Использование кристаллизации шелковых волокон на основе растяжения-деформации для различения их функций в природе. Мягкая материя. 2015; 11: 6335–42.

    PubMed CAS Google ученый

  • 13.

    van Beek JD, Hess S, Vollrath F, Meier BH. Молекулярная структура шелка драглайна пауков: складывание и ориентация белкового остова.Proc Natl Acad Sci USA. 2002; 99: 10266–71.

    PubMed Google ученый

  • 14.

    Сюй М., Льюис Р.В. Состав протеинового суперволокна: шелк драглайна паука. Proc Natl Acad Sci USA. 1990; 87: 7120–4.

    PubMed CAS Google ученый

  • 15.

    Zhang YQ. Применение натурального шелкового протеина серицина в биоматериалах. Biotechnol Adv. 2002; 20: 91–100.

    PubMed CAS Google ученый

  • 16.

    Малайский н.э., Сато Р., Ядзава К., Ватанабе Х., Ифуку Н., Масунага Х. и др. Связь между физическими свойствами и последовательностью шелка тутового шелкопряда. Научный отчет 2016; 6: 27573.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 17.

    Holland C, Numata K, Rnjak-Kovacina J, Seib FP. Биомедицинское использование шелка: прошлое, настоящее, будущее. Adv Health Mater. 2019; 8: e1800465.

    Google ученый

  • 18.

    Numata K, Kaplan DL. Системы доставки биоактивных молекул на основе шелка. Adv Drug Deliv Rev.2010; 62: 1497–508.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 19.

    Numata K, Cebe P, Kaplan DL. Механизм ферментативной деградации бета-листовых кристаллов. Биоматериалы. 2010; 31: 2926–33.

    PubMed CAS Google ученый

  • 20.

    Нумата К., Каташима Т., Сакаи Т.Состояние воды, молекулярная структура и цитотоксичность гидрогелей шелка. Биомакромолекулы. 2011; 12: 2137–44.

    PubMed CAS Google ученый

  • 21.

    Гупта П., Кумар М., Бхардвадж Н., Кумар Дж. П., Кришнамурти К.С., Нанди С.К. и другие. Имитация формы и функции естественных сосудистых каналов малого диаметра с использованием шелковых пленок с шелковицей и немелковицей. ACS Appl Mater Inter. 2016; 8: 15874–88.

    CAS Google ученый

  • 22.

    Нумата К., Сато Р., Ядзава К., Хикима Т., Масунага Х. Кристаллическая структура и физические свойства шелковых волокон Antheraea yamamai: длинные последовательности поли (аланина) частично находятся в кристаллической области. Полимер. 2015; 77: 87–94.

    CAS Google ученый

  • 23.

    Мандал BB, Дас С., Чоудхури К., Кунду, Южная Каролина. Влияние доступности RGD шелковой пленки и шероховатости поверхности на организацию цитоскелета и пролиферацию первичных клеток костного мозга крыс.Tissue Eng A. 2010; 16: 2391–403.

    CAS Google ученый

  • 24.

    Агейтос Дж. М., Ядзава К., Татейши А., Цучия К., Нумата К. Бензилэфирная группа аминокислотных мономеров увеличивает сродство к субстрату и расширяет субстратную специфичность ферментного катализатора в хемоферментной сополимеризации. Биомакромолекулы. 2016; 17: 314–23.

    PubMed CAS Google ученый

  • 25.

    Ли Ч., Сингла А., Ли Ю. Биомедицинские применения коллагена. Int J Pharm. 2001; 221: 1–22.

    PubMed CAS Google ученый

  • 26.

    Oxlund H, Manschot J, Viidik A. Роль эластина в механических свойствах кожи. J Biomech. 1988; 21: 213–8.

    PubMed CAS Google ученый

  • 27.

    Аарон ББ, Гослайн Дж. М.. Эластин как эластомер со случайной сеткой – механический и оптический анализ отдельных эластиновых волокон.Биополимеры. 1981; 20: 1247–60.

    CAS Google ученый

  • 28.

    Киркпатрик С.Дж., Хайндс М.Т., Дункан Д.Д. Акустооптическая характеристика вязкоупругой природы тканевого каркаса из эластина затылка. Tissue Eng. 2003. 9: 645–56.

    PubMed Google ученый

  • 29.

    Берглунд Дж. Д., Нерем Р. М., Самбанис А. Включение интактных эластиновых каркасов в тканеинженерные сосудистые трансплантаты на основе коллагена.Tissue Eng. 2004. 10: 1526–35.

    PubMed CAS Google ученый

  • 30.

    Tatham AS, Shewry PR. Сравнительные структуры и свойства эластичных белков. Филос Транс Соц Лондон Б. 2002; 357: 229–34.

    CAS Google ученый

  • 31.

    Gosline J, Lillie M, Carrington E, Guerette P, Ortlepp C, Savage K. Эластичные белки: биологические роли и механические свойства.Филос Транс Соц Лондон Б. 2002; 357: 121–32.

    CAS Google ученый

  • 32.

    Мамат Н., Ядзава К., Нумата К., Норма-Рашид Ю. Морфологические и механические свойства гибких резиновых суставов на крыльях стрекоз ( Rhinocypha spp.). PLoS ONE. 2018; 13: e0193147.

    Google ученый

  • 33.

    Elvin CM, Carr AG, Huson MG, Maxwell JM, Pearson RD, Vuocolo T.и другие. Синтез и свойства сшитого рекомбинантного прорезилина. Природа. 2005; 437: 999–1002.

    PubMed CAS Google ученый

  • 34.

    Qin GK, Lapidot S, Numata K, Hu X, Meirovitch S, Dekel M. et al. Экспрессия, перекрестное связывание и характеристика рекомбинантного хитинсвязывающего резилина. Биомакромолекулы. 2009; 10: 3227–34.

    PubMed CAS Google ученый

  • 35.

    Цинь Г.К., Ривкин А., Лапидот С., Ху Х, Прейс I, Аринус С.Б. и другие. Рекомбинантные закодированные экзонами резилины для эластомерных биоматериалов. Биоматериалы. 2011; 32: 9231–43.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 36.

    Цинь Г.К., Ху Х, Себе П., Каплан Д.Л. Механизм эластичности резилина. Nat Commun. 2012; 3: 1003.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 37.

    Cao Y, Li H. Полипротеин GB1 – идеальный искусственный эластомерный белок. Nat Mater. 2007; 6: 109–14.

    PubMed CAS Google ученый

  • 38.

    Lv S, Dudek DM, Cao Y, Balamurali MM, Gosline J, Li H. Разработаны биоматериалы, имитирующие механические свойства мышц. Природа. 2010; 465: 69–73.

    PubMed CAS Google ученый

  • 39.

    Даулинг Л.М., Crewther WG, Парри Д.А.Вторичная структура компонента 8c-1 альфа-кератина. Анальная аминокислотная последовательность Biochem J. 1986; 236: 705–12.

    CAS Google ученый

  • 40.

    Даулинг Л.М., Crewther WG, Inglis AS. Первичная структура компонента 8c-1, субъединицы белка промежуточных волокон кератина шерсти. Отношения с белками из других промежуточных филаментов. Биохим Дж. 1986; 236: 695–703.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 41.

    Полинг Л., Кори РБ. Сложные спиральные конфигурации полипептидных цепей: структура белков альфа-кератинового типа. Природа. 1953; 171: 59–61.

    PubMed CAS Google ученый

  • 42.

    Ямаути К., Ямаути А., Кусуноки Т., Кохда А., Кониши Ю. Приготовление стабильного водного раствора кератинов, а также физико-химические и биодеградационные свойства пленок. J Biomed Mater Res. 1996; 31: 439–44.

    PubMed CAS Google ученый

  • 43.

    Като К., Шибаяма М., Танабе Т., Ямаути К. Получение и физико-химические свойства прессованных кератиновых пленок. Биоматериалы. 2004. 25: 2265–72.

    PubMed CAS Google ученый

  • 44.

    Като К., Танабе Т., Ямаути К. Новый подход к изготовлению каркасов из кератиновой губки с контролируемым размером пор и пористостью. Биоматериалы. 2004. 25: 4255–62.

    PubMed CAS Google ученый

  • 45.

    Crookes WJ, Ding LL, Huang QL, Kimbell JR, Horwitz J, McFall-Ngai MJ. Рефлектины: необычные белки светоотражающих тканей кальмаров. Наука. 2004; 303: 235–8.

    PubMed CAS Google ученый

  • 46.

    Крамер Р.М., Крукс-Гудсон В.Дж., Наик Р.Р. Самоорганизующиеся свойства белка рефлектина кальмара. Nat Mater. 2007; 6: 533–8.

    PubMed CAS Google ученый

  • 47.

    DeMartini DG, Izumi M, Weaver AT, Pandolfi E, Morse DE. Структуры, организация и функция белков рефлектора в динамически настраиваемых рефлексивных клетках. J Biol Chem. 2015; 290: 15238–49.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 48.

    Naughton KL, Phan L, Leung EM, Kautz R, Lin QY, Van Dyke Y. et al. Самосборка белка рефлектина головоногих. Adv Mater. 2016; 28: 8405–12.

    PubMed CAS Google ученый

  • 49.

    Guan Z, Cai TT, Liu ZM, Dou YF, Hu XS, Zhang P. et al. Происхождение гена рефлектина и иерархическая сборка его белка. Curr Biol. 2017; 27: 2833–42.

    PubMed CAS Google ученый

  • 50.

    Цинь Г.К., Деннис ПБ, Чжан Й.Дж., Ху Х, Бресснер Дж.Э., Сунь З.Й. и другие. Рекомбинантные оптические материалы на основе рефлектора. J Polym Sci Pol Phys. 2013; 51: 254–64.

    CAS Google ученый

  • 51.

    Prince JT, McGrath KP, DiGirolamo CM, Kaplan DL. Конструирование, клонирование и экспрессия синтетических генов, кодирующих шелк драглайна пауков. Биохимия. 1995; 34: 10879–85.

    PubMed CAS Google ученый

  • 52.

    Нумата К., Хамасаки Дж., Субраманиан Б., Каплан Д.Л. Доставка генов опосредуется рекомбинантными белками шелка, содержащими катионные и связывающие клетки мотивы. J Control Release. 2010. 146: 136–43.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 53.

    Numata K, Kaplan DL. Носители генов на основе шелка с пептидами, дестабилизирующими клеточную мембрану. Биомакромолекулы. 2010; 11: 3189–95.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 54.

    Нумата К., Рейган М.Р., Гольдштейн Р.Х., Розенблатт М., Каплан Д.Л. Носители генов на основе паучьего шелка для доставки в опухолевые клетки. Bioconjug Chem. 2011; 22: 1605–10.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 55.

    Numata K, Subramanian B, Currie HA, Kaplan DL. Биоинженерные системы доставки генов на основе протеина шелка. Биоматериалы. 2009. 30: 5775–84.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 56.

    Fahnestock SR, Bedzyk LA. Производство синтетического протеина шелка пауков-драглайнов в Pichia pastoris . Appl Microbiol Biotechnol. 1997; 47: 33–9.

    PubMed CAS Google ученый

  • 57.

    Янссон Р., Лау С.Х., Исида Т., Рамстром М., Сандгрен М., Хедхаммар М. Функциональный шелк, собранный из рекомбинантного слитого белка паучьего шелка (Z-4RepCT), продуцируемого метилотрофными дрожжами Pichia pastoris . Biotechnol J. 2016; 11: 687–99.

    PubMed CAS Google ученый

  • 58.

    Ян Дж.Дж., Барр Л.А., Фанесток С.Р., Лю З.Б. Получение высокопродуктивного рекомбинантного шелкоподобного белка в трансгенных растениях посредством нацеливания на белок.Transgenic Res. 2005; 14: 313–24.

    PubMed CAS Google ученый

  • 59.

    Шеллер Дж., Гурс К.Х., Гросс Ф., Конрад У. Производство белков паучьего шелка в табаке и картофеле. Nat Biotechnol. 2001; 19: 573–7.

    PubMed CAS Google ученый

  • 60.

    Hauptmann V, Weichert N, Rakhimova M, Conrad U. Паутинные шелка из растений – задача создания спидроинов естественного размера.Biotechnol J. 2013; 8: 1183–92.

    PubMed CAS Google ученый

  • 61.

    Сюй Дж., Донг КЛ, Юй И, Ню Б.Л., Цзи Д.Ф., Ли М.В. и другие. Массовое производство паучьего шелка путем целенаправленной замены генов у Bombyx mori. Proc Natl Acad Sci USA. 2018; 115: 8757–62.

    PubMed CAS Google ученый

  • 62.

    Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Морские пурпурные фотосинтезирующие бактерии как устойчивые хозяева микробного производства.Фронт Bioeng Biotech. 2019; 7: 258.

    Google ученый

  • 63.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Нумата К. Метод легкой трансформации морских пурпурных фотосинтетических бактерий с использованием химически компетентных клеток. Microbiologyopen. 2020; 9: e953.

    Google ученый

  • 64.

    Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Метаболические состояния, вызывающие ацетат, увеличивают выработку полигидроксиалканоата морскими пурпурными несерными бактериями в аэробных условиях.Фронт Bioeng Biotech. 2019; 7: 118.

    Google ученый

  • 65.

    Фунг С.П., Хигучи-Такеучи М., Нумата К. Оптимальные концентрации железа для связанного с ростом биосинтеза полигидроксиалканоатов в морской фотосинтетической пурпурной бактерии Rhodovulumulfidophilum в фотогетеротрофных условиях. Plos ONE. 2019; 14: e0212654.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 66.

    Хигучи-Такеучи М., Мотода Ю., Кигава Т., Нумата К. Полигидроксиалканоатсинтаза класса I из пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodovulumulfidophilum преимущественно существует в виде функционального димера в отсутствие субстрата. САУ Омега. 2017; 2: 5071–8.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 67.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Тойока К., Нумата К. Синтез высокомолекулярных полигидроксиалканоатов морскими фотосинтетическими пурпурными бактериями.Plos ONE. 2016; 11: e0160981.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 68.

    Хигучи-Такеучи М., Морисаки К., Нумата К. Метод скрининга для выделения производящих полигидроксиалканоат пурпурных несернистых фотосинтетических бактерий из естественной морской воды. Front Microbiol. 2016; 7: 1509.

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 69.

    Fields GB, Noble RL.Твердофазный синтез пептидов с использованием 9-флуоренилметоксикарбониламинокислоты. Int J Pept Protein Res. 1990; 35: 161–214.

    PubMed CAS Google ученый

  • 70.

    Меррифилд РБ. Твердофазный пептидный синтез. Adv Enzymol Ramb. 1969; 32: 221–96.

    CAS Google ученый

  • 71.

    Байер Э., Муттер М. Жидкофазный синтез пептидов. Природа. 1972; 237: 512–3.

    PubMed CAS Google ученый

  • 72.

    Dawson PE, Muir TW, Clarklewis I, Kent SBH. Синтез белков путем нативного химического лигирования. Наука. 1994; 266: 776–9.

    PubMed CAS Google ученый

  • 73.

    Johnson ECB, Kent SBH. Понимание механизма и катализа нативной химической реакции лигирования. J Am Chem Soc. 2006. 128: 6640–6.

    PubMed CAS Google ученый

  • 74.

    Johnson ECB, Durek T, Kent SBN. Полный химический синтез, фолдинг и анализ небольшого белка на водосовместимой твердой подложке. Angew Chem Int Ed. 2006. 45: 3283–7.

    CAS Google ученый

  • 75.

    Агуридас В., Эль Махди О., Димер В., Каржет М., Монбалиу Дж. М., Мельник О. Нативное химическое лигирование и расширенные методы: механизмы, катализ, объем и ограничения. Chem Rev.2019; 119: 7328–443.

    PubMed CAS Google ученый

  • 76.

    Гудман М., Хатчисон Дж. Механизмы полимеризации N-незамещенных N-карбоксиангдридов. J Am Chem Soc. 1966; 88: 3627

    CAS Google ученый

  • 77.

    Деминг Т.Дж. Синтетические полипептиды для биомедицинского применения. Prog Polym Sci. 2007. 32: 858–75.

    CAS Google ученый

  • 78.

    Кога К., Судо А., Эндо Т. Революционный синтез N-карбоксиангидридов альфа-аминокислот без фосгена с использованием дифенилкарбоната, основанный на активации альфа-аминокислот путем превращения в соли имидазолия.J. Polym Sci Poly Chem. 2010. 48: 4351–5.

    CAS Google ученый

  • 79.

    Ямада С., Кога К., Судо А., Гото М., Эндо Т. Синтез полипептидов без фосгена: полезный синтез гидрофобных полипептидов путем поликонденсации активированных уретановых производных аминокислот. J. Polym Sci Poly Chem. 2013; 51: 3726–31.

    CAS Google ученый

  • 80.

    Кобаяси С., Макино А.Ферментативный синтез полимеров: возможность для химии экологически чистых полимеров. Chem Rev.2009; 109: 5288–353.

    PubMed CAS Google ученый

  • 81.

    Кобаяши С., Уяма Х., Кимура С. Ферментативная полимеризация. Chem Rev.2001; 101: 3793–818.

    PubMed CAS Google ученый

  • 82.

    Нумата К. Поли (аминокислоты) s / полипептиды как потенциальные функциональные и структурные материалы.Полим Дж. 2015; 47: 537–45.

    CAS Google ученый

  • 83.

    Цучия К., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез полипептидов для использования в качестве функциональных и структурных материалов. Macromol Biosci. 2017; 17: 1700177.

    Google ученый

  • 84.

    Ма Ю.Н., Ли З.Б., Нумата К. Синтетические короткие пептиды для быстрого изготовления однослойных клеточных листов. ACS Biomater Sci Eng. 2016; 2: 697–706.

    CAS Google ученый

  • 85.

    Ма Ю.А., Сато Р., Ли З.Б., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез олиго (L-цистеина) для использования в качестве термостабильного материала на биологической основе. Macromol Biosci. 2016; 16: 151–9.

    PubMed CAS Google ученый

  • 86.

    Бейкер П.Дж., Нумата К. Хемоэнзиматический синтез поли (L-аланина) в водной среде. Биомакромолекулы. 2012; 13: 947–51.

    PubMed CAS Google ученый

  • 87.

    Tsuchiya K, Kurokawa N, Gimenez-Dejoz J, Gudeangadi PG, Masunaga H, Numata K. Периодическое введение ароматических звеньев в полипептиды посредством хемоэнзиматической полимеризации для получения специфических вторичных структур с высокой термостабильностью. Полим Дж. 2019; 51: 1287–98.

    CAS Google ученый

  • 88.

    Агейтос Дж. М., Бейкер П. Дж., Сугахара М., Нумата К.Катализируемый протеиназой К синтез конъюгатов линейных и звездчатых олиго (L-фенилаланин). Биомакромолекулы. 2013; 14: 3635–42.

    PubMed CAS Google ученый

  • 89.

    Fagerland J, Finne-Wistrand A, Numata K. Короткий химико-ферментативный синтез L-лизина и L-аланиновых диблочных коолигопептидов в одном сосуде. Биомакромолекулы. 2014; 15: 735–43.

    PubMed CAS Google ученый

  • 90.

    Цучия К., Нумата К. Хемоферментный синтез полипептидов, содержащих неприродную аминокислоту 2-аминоизомасляную кислоту. Chem Commun. 2017; 53: 7318–21.

    CAS Google ученый

  • 91.

    Ядзава К., Гименес-Дежоз Дж., Масунага Х., Хикима Т., Нумата К. Химико-ферментативный синтез пептида, содержащего нейлоновые мономерные звенья, для применения термически обрабатываемого пептидного материала. Polym Chem. 2017; 8: 4172–6.

    CAS Google ученый

  • 92.

    Ядзава К., Нумата К. Катализируемый папаином синтез полиглутамата, содержащего звено мономера нейлона. Полимеры. 2016; 8: 194.

    PubMed Central Google ученый

  • 93.

    Hu X, Cebe P, Weiss AS, Omenetto F, Kaplan DL. Композиционные материалы на белковой основе. Mater Today. 2012; 15: 208–15.

    CAS Google ученый

  • 94.

    Abascal NC, Regan L. Прошлое, настоящее и будущее белковых материалов.Откройте Биол. 2018; 8: 180113.

    PubMed PubMed Central CAS Google ученый

  • 95.

    van Hest JC, Tirrell DA. Материалы на белковой основе – переход на новый уровень структурного контроля. Chem Commun. 2001; 19: 1897–904.

    Google ученый

  • 96.

    Фаррелл Х.М., Малин Э.Л., Браун Э.М., Ци П.Х. Структура мицелл казеина: что можно узнать из синтеза молока и структурной биологии? Curr Opin Colloid.Интерфейс. 2006; 11: 135–47.

    CAS Google ученый

  • 97.

    Starcher B. Анализ на основе нингидрина для количественного определения общего содержания белка в образцах тканей. Анальная биохимия. 2001; 292: 125–9.

    PubMed CAS Google ученый

  • 98.

    Брюер Дж. М., Робертс К. В., Стимсон В. Х., Александр Дж. Точное определение адъювант-ассоциированного белка или пептида с помощью анализа нингидрина.Вакцина. 1995; 13: 1441–4.

    PubMed CAS Google ученый

  • 99.

    Дои Э., Шибата Д., Матоба Т. Модифицированные колориметрические методы нингидрина для анализа пептидазы. Анальная биохимия. 1981; 118: 173–84.

    PubMed CAS Google ученый

  • 100.

    Нумата К., Бейкер П.Дж. Синтез адгезионных пептидов, подобных тем, которые обнаружены в голубой мидии (Mytilus edulis), с использованием папаина и тирозиназы.Биомакромолекулы. 2014; 15: 3206–12.

    PubMed CAS Google ученый

  • 101.

    Хименес-Дежос Дж., Цучия К., Нумата К. Понимание стереоспецифичности в хемоферментной полимеризации, опосредованной папаином, на основе моделирования квантовой механики / молекулярной механики. ACS Chem Biol. 2019; 14: 1280–92.

    PubMed CAS Google ученый

  • % PDF-1.7 % 476 0 объект > эндобдж xref 476 107 0000000016 00000 н. 0000003332 00000 н. 0000003593 00000 н. 0000003620 00000 н. 0000003686 00000 п. 0000003722 00000 н. 0000004188 00000 п. 0000004337 00000 н. 0000004499 00000 н. 0000004626 00000 н. 0000004753 00000 н. 0000004880 00000 н. 0000005007 00000 н. 0000005134 00000 п. 0000005260 00000 п. 0000005386 00000 п. 0000005510 00000 н. 0000005637 00000 п. 0000005764 00000 н. 0000005891 00000 н. 0000006017 00000 н. 0000006144 00000 п. 0000006270 00000 н. 0000006395 00000 н. 0000006521 00000 н. 0000006648 00000 н. 0000006775 00000 н. 0000006902 00000 н. 0000007029 00000 н. 0000007155 00000 н. 0000007280 00000 н. 0000007481 00000 н. 0000007654 00000 н. 0000007734 00000 н. 0000007813 00000 н. 0000007894 00000 н. 0000007974 00000 н. 0000008054 00000 н. 0000008133 00000 п. 0000008213 00000 н. 0000008292 00000 н. 0000008372 00000 н. 0000008451 00000 п. 0000008530 00000 н. 0000008608 00000 н. 0000008687 00000 н. 0000008765 00000 н. 0000008843 00000 н. 0000008920 00000 н. 0000009000 00000 н. 0000009311 00000 п. 0000009824 00000 н. 0000009983 00000 н. 0000010034 00000 п. 0000010258 00000 п. 0000010680 00000 п. 0000010783 00000 п. 0000010885 00000 п. 0000015303 00000 п. 0000015914 00000 п. 0000016086 00000 п. 0000016588 00000 п. 0000020023 00000 н. 0000020186 00000 п. 0000020852 00000 п. 0000021317 00000 п. 0000023629 00000 п. 0000023777 00000 п. 0000023832 00000 п. 0000024008 00000 п. 0000024198 00000 п. 0000026693 00000 п. 0000029554 00000 п. 0000032038 00000 п. 0000032378 00000 п. 0000032645 00000 п. 0000035015 00000 п. 0000037473 00000 п. 0000042589 00000 п. 0000045746 00000 п. 0000046098 00000 п. 0000049716 00000 п. 0000050470 00000 п. 0000050931 00000 п. 0000051127 00000 п. 0000052915 00000 п. 0000053145 00000 п. 0000053790 00000 п. 0000053992 00000 п. 0000054543 00000 п. 0000054680 00000 п. 0000109986 00000 н. 0000110025 00000 н. 0000128650 00000 н. 0000157815 00000 н. 0000158538 00000 н. 0000158595 00000 н. 0000158786 00000 н. 0000158895 00000 н. 0000159012 00000 н. 0000159188 00000 н. 0000159346 00000 н. 0000159512 00000 н. 0000159742 00000 н. 0000159970 00000 н. 0000003159 00000 п. 0000002488 00000 н. трейлер ] / Назад 1138317 / XRefStm 3159 >> startxref 0 %% EOF 582 0 объект > поток hb““b`g`-`f @

    Производство рекомбинантного белка

    Благодаря своим важным функциям белки широко используются в промышленности, пищевой промышленности и медицине.Важным способом получения больших количеств определенного белка является технология рекомбинантной ДНК, которая включает использование генетической рекомбинации для объединения генетического материала из нескольких источников, создавая последовательности ДНК, которые естественным образом не встречаются в геноме. Белки, полученные с помощью технологии рекомбинантной ДНК, представляют собой так называемые рекомбинантные белки.

    Чтобы помочь вам лучше понять, как производятся рекомбинантные белки, в этой статье будут рассмотрены следующие темы:

    1.Что такое рекомбинантная ДНК?

    Чтобы выяснить, что такое рекомбинантная ДНК и как использовать технологию рекомбинантной ДНК для производства определенного белка, вы должны сначала кое-что узнать об экспрессии белка в организме.

    Для любого организма белки являются одним из важнейших материалов, которые составляют тело и выполняют важные функции. Например, причина, по которой вы можете переваривать пищу, заключается в том, что ваш пищеварительный тракт выделяет пищеварительные ферменты, которые расщепляют макромолекулы в пище на более мелкие молекулы, которые могут быть поглощены организмом.Все эти ферменты – белки.

    С тех пор, как в 1953 году была открыта современная структура ДНК, генетические принципы были тщательно изучены. Хорошо известно, что белки производятся из ДНК в два этапа. Первый шаг называется транскрипцией, когда мРНК создается из ДНК. Следующим шагом является трансляция, при которой белок производится из мРНК. Другими словами, последовательность ДНК предоставляет инструкции по созданию определенного белка. Таким образом, экспрессия генов на самом деле имеет то же значение, что и экспрессия белков.

    Рис. 1 Экспрессия гена

    Рекомбинантная ДНК (рДНК) – это цепь ДНК, образованная комбинацией двух или более последовательностей ДНК. Генетическая рекомбинация – это естественный процесс. Этим процессом также можно искусственно управлять для различных целей, и это так называемая технология рекомбинантной ДНК. Используя технологию рекомбинантной ДНК, ученые могут создавать новые последовательности ДНК, которые не существовали бы в естественных условиях при нормальных обстоятельствах и условиях окружающей среды.Полученная рекомбинантная ДНК помещается в клетку-хозяин, где она экспрессируется в новый белок, так называемый рекомбинантный белок. Технология рекомбинантной ДНК играет решающую роль в производстве рекомбинантных белков для фармацевтического, медицинского, сельскохозяйственного и других применений.

    2. Как сделать рекомбинантную ДНК?

    Рис. 2 Рекомбинантная ДНК

    Технология рекомбинантной ДНК имеет и другие названия, включая клонирование ДНК, молекулярное клонирование и клонирование генов.Все они относятся к переносу чужеродной ДНК в самовоспроизводящийся генетический элемент организма, что в конечном итоге приводит к амплификации чужеродной ДНК. В настоящее время существует три основных метода получения рекомбинантной ДНК:

    №1. Трансформация

    Фрагмент чужеродной ДНК вырезают и вставляют в вектор, обычно плазмиду. Затем полученный вектор помещается в клетку-хозяин, такую ​​как бактерия E. coli, где экспрессируется чужеродный фрагмент ДНК.Процесс поглощения чужеродной ДНК бактериальной клеткой называется трансформацией.

    №2. Небактериальная трансформация

    Небактериальная трансформация не использует бактерии в качестве клетки-хозяина. Одним из примеров является микроинъекция ДНК, при которой чужеродная ДНК вводится непосредственно в ядро ​​клетки-реципиента. Биолистика – это метод, при котором используются высокоскоростные микрочастицы, чтобы помочь бомбардировать чужеродную ДНК в клетку-реципиент.

    №3.Введение фага

    При введении фага фаг используется для переноса чужеродной ДНК в клетку-хозяина, и в конечном итоге ДНК фага, содержащая чужеродную ДНК, вставляется в геном клетки-хозяина.

    3. Что такое рекомбинантный белок?

    Рекомбинантные белки – это белки, искусственно созданные с помощью технологии рекомбинантной ДНК. Белки можно использовать во многих областях, таких как диагностические инструменты, вакцины, терапевтические средства, детергенты, косметика, производство продуктов питания и кормовые добавки.Простое выделение белков из их естественных источников не может удовлетворить растущий спрос на белки. Технология рекомбинантной ДНК обеспечивает более эффективный метод получения большого количества белков.

    У этого метода есть свои достоинства и недостатки. Например, инсулин, гормон, который действует как ключевой регулятор уровня сахара в крови и его уровень снижается у пациентов с диабетом, уже был произведен с помощью технологии рекомбинантной ДНК, которая спасает множество жизней. Кроме того, технология рекомбинантной ДНК позволяет изменять свойства интересующего белка.В этих аспектах полезны технология рекомбинантной ДНК и рекомбинантные белки. Однако по-прежнему существуют опасения по поводу безопасности и этичности использования технологии рекомбинантной ДНК.

    4. Как получить рекомбинантный белок?

    Когда-то производство рекомбинантных белков было прерогативой специалистов. Теперь производство рекомбинантных белков стало очень зрелой и широко распространенной техникой благодаря разработке простых, коммерчески доступных систем.В процессе производства рекомбинантного белка остающейся проблемой является то, что вы столкнетесь с ошеломляющим выбором.

    Какую систему следует использовать для экспрессии белка?
    Какой вектор экспрессии следует использовать?
    Должен ли белок экспрессироваться полностью или частично?
    Следует ли метить белок?
    Как очистить белок?

    При производстве рекомбинантных белков нужно принимать множество решений.Если вы сделаете правильный выбор, вы получите высококачественные рекомбинантные белки, и последующие эксперименты с большей вероятностью будут успешными. Но если вы примете неправильное решение, вы можете не получить нужный рекомбинантный белок или качество и чистота рекомбинантного белка не будут соответствовать требованиям.

    Кроме того, поскольку все белки индивидуальны, не существует вечно правильного ответа. Выбор из множества производственных стратегий во многом зависит от белка, который вы собираетесь экспрессировать.

    За последние десятилетия большое количество белков из различных организмов (вирусов, архей, бактерий и эукариев) было произведено с использованием метода рекомбинантной ДНК и очищено в лаборатории. Некоторые исследователи суммировали несколько основных этапов производства рекомбинантных белков следующим образом:

    • Получение кДНК и создание экспрессионного клона
    • Клонирование
    • Экспрессия белка в подходящей системе
    • Маломасштабное тестовое выражение
    • Очистка белков
    • Характеристика белков

    В настоящее время существует множество систем для экспрессии рекомбинантных белков, включая как клеточные, так и бесклеточные системы.Клеточные системы можно разделить на эукариотические и прокариотические системы. Вот пять наиболее часто используемых стратегий выражения:

    Экспрессия рекомбинантного белка in vitro
    Экспрессия рекомбинантного белка в E. coli
    Экспрессия рекомбинантного белка в дрожжах
    Экспрессия рекомбинантного белка в бакуловирусе насекомых
    Экспрессия рекомбинантного белка в клетках млекопитающих

    Вы можете щелкнуть эти ссылки, чтобы получить дополнительную информацию об этих системах.

    Рис. 3 Экспрессия рекомбинантного белка в E. coli

    Методология для всех систем экспрессии принципиально схожа. Основными требованиями являются последовательность ДНК, кодирующая интересующий белок, вектор, в который вставлена ​​последовательность ДНК, и подходящий хозяин, который затем будет экспрессировать последовательность чужеродной ДНК.

    Несмотря на схожую методологию, сфера применения систем экспрессии различается.Каждая из пяти наиболее часто используемых систем имеет свои преимущества и недостатки. Итак, при производстве рекомбинантных белков ключевым моментом является выбор системы экспрессии. Выбор системы экспрессии во многом зависит от природы экспрессируемого гетерологичного белка.

    Если у вас все еще есть вопросы о выборе подходящей системы экспрессии, вы можете обратиться к таблице «Какая система экспрессии больше всего подходит для вашего эксперимента?» на этой странице: https: // www.cusabio.com/protein_service/

    Помимо выбора подходящей системы экспрессии, выбор подходящего вектора экспрессии также является проблемой при получении рекомбинантных белков. Если вы собираетесь экспрессировать белок с биоактивностью, следует принять во внимание другие вещи.

    Многие факторы влияют на экспрессию рекомбинантных белков. Например, нам обычно нужен высокий выход продукции белка, но если рекомбинантный белок продуцируется слишком быстро, могут образовываться тельца включения; Многие рекомбинантные белки нуждаются в модификациях, таких как гликозилирование, которые доступны только в эукариотических клетках, поэтому в этом случае прокариотические клетки, такие как E.coli не подходят для экспрессии белков.

    В целом, получение рекомбинантного белка является зрелым методом, и на рынке имеются различные системы. Но все еще существуют проблемы в процессе производства и очистки рекомбинантного белка.

    Подражая пластику самой природы | Pursuit Мельбурнского университета

    Пластик – это просто полимер – повторяющаяся цепочка молекул, – но он невероятно полезен.

    Впервые изобретенный около ста лет назад, он может быть бесконечно гибким или твердым, как камень, даже несмотря на то, что он легкий.А благодаря своей основе из длинных цепочек молекул углерода, полученных из ископаемого топлива, образовавшегося за миллионы лет, он практически не поддается разрушению.

    И вот сегодня проблема.

    Кристаллы аминокислоты цистеина. Изображение: Фернан Федеричи и Джим Хазелофф / Wellcome Collection

    Пластик просто не исчезает быстро, он распадается на микропластик. Ежегодно производится более 380 миллионов тонн пластика, из которых менее 10 процентов перерабатывается. По оценкам исследователей, в 2017 году мы сгенерировали около шести.3 миллиарда тонн пластиковых отходов, 80 процентов из которых находится на свалках.

    Исходя из текущих тенденций, количество пластиковых отходов, сбрасываемых на свалки, и окружающая среда к 2050 году достигнет 12 миллиардов тонн.

    Помимо увеличения объемов переработки и сокращения использования пластика, ключом к решению проблемы пластиковых отходов является производство пластика. -подобный материал, который может полностью биоразлагаться, превращаясь в компост, который перерабатывается природой так же, как и другие природные материалы.

    Перед лицом нашего экологического кризиса глава

    Подробнее

    Проблема заставляет ученых сосредоточиться на создании материалов из другого полимера, но того, который является строительным блоком жизни – аминокислот.

    Наши тела вырабатывают различные необходимые нам белки из цепочек аминокислот, а, употребляя в пищу такие продукты, как овощи, мы производим различные аминокислоты.

    Эти кислоты являются источником чудесных материалов, таких как паучий шелк, который, хотя и не обладает жесткостью стали, может быть столь же прочным по сравнению со своим весом.

    «Пластик появился сравнительно недавно, но Земля прекрасно справлялась с этим раньше, чем пластик, использующий растительные и белковые материалы. Итак, вопрос в том, как далеко мы сможем продвинуть эти строительные блоки и создать материалы, которые могут заменить пластик? » говорит профессор Грег Цяо, инженер-химик из Мельбурнского университета.

    «Любой материал на основе аминокислот должен быть полностью компостируемым, потому что такова природа материала, и я думаю, что любой материал, который мы можем произвести из аминокислот, полностью разрушится менее чем за десять лет».

    Пауки производят шелк из аминокислот, прочных по сравнению с его весом. Изображение: Pixabay

    В том, что представляет собой новый подход к использованию натуральных продуктов для создания материалов, подобных пластику, профессор Цяо сейчас пытается выяснить, может ли он использовать традиционную химию для синтетического производства пригодных для использования материалов непосредственно из аминокислот, возможно, создавая новую отрасль, которая может пойти каким-то образом на замену пластика.

    Попытки обуздать природу с помощью аминокислот и растительных материалов для создания альтернативных биоразлагаемых материалов не новы и продолжаются.

    Конструирование материалов будущего

    Подробнее

    Одна из проблем использования растительных материалов, таких как крахмал, в качестве основы альтернативных биоразлагаемых материалов – обеспечить их устойчивость к воде и износу, достаточный для их использования.

    Другие исследования сосредоточены на копировании процесса, который природа использует для производства белков из аминокислот с помощью ДНК, то есть того, как организмы перерабатывают аминокислоты в белки.

    Например, команда профессора Цяо сотрудничает с командой профессора Томаса Шейбеля из Университета Байройта в Германии, где исследователи разработали процесс, который частично воспроизводит способ, которым пауки производят шелк, используя аминокислоты, ДНК пауков и ферментирующие бактерии в биологической среде. процесс.

    Профессор Цяо хочет отказаться от использования ДНК и вместо этого использовать химию для синтетической разработки пригодных для использования материалов из аминокислот. Он считает, что этот процесс может стать более эффективным и легко масштабируемым.

    «Мы хотим использовать химические процессы, а не ДНК, и это потенциально делает их быстрее и дешевле», – говорит он.

    Иллюстрация спиральной вторичной структуры белков. Изображение: Getty Images

    Что делает аминокислоты такими особенными, так это то, что, в отличие от пластика, они не просто образуют цепочки молекул, они также могут легко образовывать спиральные и складчатые структуры, называемые альфа-спиралью и бета-листами соответственно, которые помогают обеспечить стабильность и жесткость. .

    «Вот почему аминокислоты могут создавать такие удивительные материалы, как паучий шелк», – говорит профессор Цяо.

    Считывание электрических сигналов организма для лечения болезни

    Подробнее

    В лаборатории команда профессора Цяо уже синтетическим путем произвела гель и волокна из этих химически полученных спиральных и листовых молекулярных структур – достаточных для изготовления электроспрядного мата.

    Электропрядение включает пропускание раствора через шприц и использование статического электричества для изготовления волокон.

    «Прочность молекулярных листов, которые мы до сих пор производили, выше, чем у пластика», – говорит он.

    «Он кислотоупорный и термостойкий, но в то же время правильные ферменты, такие как ферменты, которые вы найдете в почве, разрывают цепочку молекул и полностью разрушают ее».

    Это означает, что у команды есть потенциальная основа для новых материалов, если они могут создавать достаточно длинные цепочки аминокислот. Это вселяет в профессора Цяо оптимизм в отношении того, что они могут создавать полезные материалы, такие как гели, водонепроницаемые покрытия и волокна, скрученные в более длинные нити, такие как полиэстер, или спрессованные вместе в лист так же, как мы делаем бумагу.

    Если они смогут это сделать, следующей задачей будет сделать эти гибкие материалы на основе аминокислот более прочными и жесткими, чтобы имитировать твердые пластмассы.

    Команда профессора Цяо создала волокна из аминокислот, которые можно сплести в мат. Изображение: Поставляется

    Все это зависит от успеха исследователей в формировании цепочек аминокислот, называемых пептидами, в образования, которые имеют характеристики широкого диапазона пластмасс, такие как гибкость и твердость.

    «Нам нужно исследовать больше, и нам нужно начать с чего-то, что кажется достижимым, а затем мы можем перейти к более сложным задачам.Мы находимся в самом начале этого пути », – говорит профессор Цяо.

    «С точки зрения химии, учитывая то, что мы уже знаем и что сделали люди, я думаю, что нет причин, по которым это нельзя сделать».

    Морские волны и ветры становятся все сильнее и сильнее

    Подробнее

    Следующая задача – создание цепочки поставок аминокислот для поддержки индустрии производства пластмасс. По его словам, потенциальными источниками могут быть растительные и животные отходы или даже водоросли.

    Идея профессора Цяо о синтетическом производстве материалов на основе аминокислот в качестве замены пластмасс возникла из более ранней работы его команды с использованием цепочек аминокислот для создания нового антибиотика.

    Встречающиеся в природе антибиотики, те машины для уничтожения, которые уничтожают бактерии, состоят из цепочек аминокислот.

    Но аспирант профессора Цяо Шу Лам разработал синтетический антибиотик, получивший название Структурно-нанотехнологический антимикробный поли-пептид (SNAPP), который в лабораторных условиях оказался смертельным против некоторых супербактерий, выработавших устойчивость к природным антибиотикам.

    «Работа по SNAPP помогла нам больше узнать о том, как создавать синтетические цепи аминокислот и как эти вторичные структуры, альфа-спираль и бета-листы, могут играть важную роль в свойствах материалов», – говорит профессор Цяо. .

    «Но один подход не решит всех наших потребностей в различных пластмассах. И, в некоторых случаях, пластик на углеродной основе по-прежнему будет играть определенную роль », – говорит он.

    «Но в конечном итоге нам нужно сбалансировать использование пластика с более экологичными альтернативами».

    Баннер: Getty Images

    Конструкционные материалы на белковой основе | SpringerLink

    Белковые материалы, как и многие биоматериалы, открывают множество возможностей на будущее.Во-первых, материалы из Nature демонстрируют множество творческих и неожиданных реализаций, которые представляют решения общих и давних проблем в материаловедении. Следовательно, и инженерам, и ученым есть чему поучиться с помощью «биовдохновения». Во-вторых, биогенные материалы со временем эволюционировали медленно, всегда в благоприятных отношениях с глобальной экосистемой и являясь ее неотъемлемой частью. В случае синтетических материалов дело обстоит иначе, что привело к некоторым из самых серьезных текущих социальных проблем, включая загрязнение, чрезмерное истощение ресурсов и воздействие на климат.Из природы мы можем узнать, как смягчить некоторые из этих неблагоприятных воздействий, и мы можем почерпнуть идеи о том, как производить материалы более экологичным способом. В сочетании с синтетической биологией это дает преобразующую возможность решить некоторые из наших самых насущных проблем в ближайшие десятилетия. В-третьих, биогенные и биоинспирированные материалы также имеют большие перспективы в биомедицинских приложениях, где ожидается, что революционные решения также окажут большое влияние на общество. Каждый из этих трех аспектов биоматериалов представлен в этой специальной теме, посвященной структурным материалам на основе белков.

    Белковые материалы занимают особое место в области биогенных материалов, где керамика и биополимеры являются ключевыми классами материалов. Белки представляют собой ключевые структурные биополимеры у млекопитающих, включая человека, и в целом образуют одни из самых прочных биополимеров. Паучий шелк является особенно вдохновляющим примером мощных белковых материалов, демонстрирующих механические характеристики на уровне, соответствующем или превосходящем некоторые из лучших систем синтетических материалов. По весу некоторые паучьи шелка примерно в пять раз прочнее стали и в пять раз прочнее, чем кевлар, что демонстрирует, что белковые материалы могут достичь критически важных свойств материалов полностью устойчивым образом.Синтетическая биология добавляет перспективу массового производства и дальнейшей оптимизации таких материалов. Идея о том, что синтетические полимеры могут быть заменены доброкачественными биополимерами с такими же или превосходными свойствами, особенно приветствуется в то время, когда стало очевидно, что усиление загрязнения океанов пластмассами обходится очень дорого в долгосрочной перспективе. Следовательно, изучение таких природных и синтетических белков для инженерных и медицинских приложений очень актуально.

    В этой специальной теме представлены четыре статьи: две посвящены природным белкам, две – синтетическим пептидам – ​​по существу, белкам с очень короткой аминокислотной последовательностью – и три из четырех связаны с биомедицинскими приложениями.Первая статья Ванга и др. «Нанофибриллы как строительные блоки шелковых волокон: критический обзор экспериментальных данных» рассматривает наноструктуру того, что, возможно, является прототипом структурного белкового материала : паучьего шелка. Шелк очаровывает исследователей на протяжении десятилетий, демонстрируя выдающиеся механические характеристики и огромный потенциал в качестве многофункционального материала. Разработка синтетических волокон, имитирующих натуральный шелк, является основной целью, но этому препятствует недостаточное знание структуры шелка.Уже давно предполагается, что наноразмерные фибриллы играют важную роль в шелке; В этом обзоре авторы исследуют предшествующие доказательства наличия нанофибрилл в шелках пауков и тутовых шелкопрядов. Они считают, что имеющиеся данные далеко не окончательные. Объемный процент нанофибрилл в шелковых волокнах неясен, и были получены противоречивые результаты относительно их физических размеров, морфологии и пространственной организации. В некоторых работах предлагалась совершенно другая, глобулярная наноструктура шелковых волокон.Следовательно, многие структурные модели были разработаны на основе очень неполных доказательств. Этот обзор подчеркивает пробелы в наших знаниях о наноструктуре шелковых волокон и может служить руководством для будущих исследований.

    В следующей рукописи «Оптимизация водной двухфазной системы желатин-фосфат калия для приготовления микросфер гидрогеля» Эркока и др. Также рассматривается натуральный белок, а именно. желатин для создания водной двухфазной системы, обеспечивающей простой способ приготовления эмульсий желатина.Авторы представляют простой метод создания эмульсий вода-в-воде из водной двухфазной системы, а именно. желатин и соль фосфата калия (K 2 HPO 4 ). Жидкий желатин образуется в виде дисперсной фазы двухфазной эмульсионной системы, и желатиновые микросферы могут быть извлечены после индуцированной видимым светом реакции сшивания. Авторы исследовали влияние объемного соотношения непрерывной фазы на протекание фазового разделения и процесса эмульгирования.Они также изучили влияние метода полимеризации на размер и морфологию частиц гидрогеля желатина. Результаты демонстрируют, что K 2 HPO 4 является подходящей фазообразующей солью, где биоразлагаемые частицы желатина, полученные с помощью этой эмульсионной системы в / в, имеют потенциал для биомедицинского применения. Кроме того, наблюдалось замедленное высвобождение модельной молекулы метиленового синего из частиц желатина до 5 дней. Эта система выгодна тем, что обеспечивает недорогую и экологичную платформу для образования эмульсии, и в том, что соль K 2 HPO 4 действует как многообещающая альтернатива органическим растворителям или вспомогательным полимерам для образования непрерывной фазы.

    Следующие две рукописи раскрывают потенциал синтетических материалов на основе белков. Оба рассматривают пептиды, специально разработанные для материаловедения. Рукопись «Многократно применяемая пептидная пленка убивает бактерии на зубных имплантатах» Wisdom et al. использует пептиды, которые были разработаны, чтобы адсорбироваться на титане и образовывать функциональную пленку. Растущее использование титановых зубных имплантатов увеличило распространенность периимплантных заболеваний, что сокращает срок их службы. Растущее представление о болезни вокруг имплантата предполагает, что накопление бляшек и дисбиогенез микробиома запускают иммунный воспалительный ответ хозяина, который разрушает мягкие и твердые ткани, поддерживающие имплант.Частоту периимплантных заболеваний трудно оценить, но с учетом того, что только в США установлено более 3 миллионов имплантатов, а рынок растет на 500 000 имплантатов в год, такое широкое использование требует дополнительных методов перехвата. Авторы сообщают о нехирургическом подходе к лечению периимплантных заболеваний на водной основе с использованием бифункциональной пептидной пленки, которую можно наносить во время первоначальной установки имплантата, а затем повторно наносить на существующие имплантаты для уменьшения роста бактерий. Бифункциональные пептиды основаны на титансвязывающем пептиде (TiBP), оптимально связанном спейсерным пептидом с антимикробным пептидом (AMP).Авторы показывают, что поверхности дентальных имплантатов, покрытые бифункциональной пептидной пленкой, убивают бактерии. Кроме того, используя простой протокол очистки поверхностей имплантата, загрязненных бактериями, поверхность можно эффективно повторно покрыть TiBP-AMP для восстановления антимикробного состояния. Загрязнение, очищение и повторное связывание подтверждали до четырех циклов с минимальной потерей эффективности связывания. Повторное связывание после загрязнения пленки на водной основе расширяет контроль над составом микробиома полости рта, обеспечивая новое нехирургическое лечение зубных имплантатов.Многие белки и пептиды демонстрируют очень интересные механические свойства и изучаются для применения в биомедицине и в качестве экологически чистых инженерных материалов. Эта работа поощряет будущий вклад в определение характеристик природных белковых материалов, усилия по синтезу, включая подходы синтетической биологии, а также компьютерное моделирование или моделирование таких материалов в соответствующих масштабах длины.

    Наконец, в рукописи Эсры Юка и Кандана Тамерлера «Самособирающиеся рекомбинантные белки на металлических наночастицах как зонды бимодальной визуализации» используются дизайнерские пептиды для синтеза наноматериала с индивидуализированной мультимодальной оптической функциональностью.Такое сочетание множественных модальностей лежит в основе разработки новых методов зондирования и визуализации, которые необходимы для всестороннего понимания событий на молекулярном уровне. Были разработаны различные методы визуализации с использованием металлических наночастиц благодаря их исключительным физическим и химическим свойствам. Благодаря своим характеристикам локализованного поверхностного плазмонного резонанса наночастицы золота и серебра проявляют уникальные оптоэлектронные свойства, которые обычно используются в биомедицинских науках и технике.Самособирающиеся монослои или физическая адсорбция ранее были адаптированы для функционализации поверхности наночастиц биомолекулами для целенаправленной визуализации. Однако, в зависимости от различий между функциональными группами, используемыми на поверхности наночастиц, могут возникнуть большие различия в отображаемых биомолекулярных свойствах для распознавания своей мишени. В последнее десятилетие было доказано, что свойства неорганических связывающих пептидов полезны для сборки селективных функциональных наноэлементов или белков на поверхности наночастиц.Авторы исследовали формирование самоорганизующихся гибридных металлических наноархитектур, состоящих из наночастиц золота и серебра с флуоресцентными белками, для использования в качестве зондов бимодальной визуализации. Они использовали сборку на основе пептидов, связывающих металл, для самосборки зеленого флуоресцентного белка на металлических субстратах различной геометрии. Сборка зеленых флуоресцентных белков, генетически сконструированных для включения пептидов, связывающих золото или серебро, на металлические наночастицы, привела к созданию гибридных бимодальных зондов для визуализации за один этап.Активность зеленой флуоресценции на золотых и серебряных поверхностях можно отслеживать с помощью как плазмонных, так и флуоресцентных сигнатур. Результаты демонстрируют новую бимодальную систему визуализации, которую можно точно настроить в зависимости от размера наночастиц и концентрации белка. Полученные гибридные зонды могут смягчить ограничение глубины проникновения в биологические ткани, а также обеспечить высокое отношение сигнал / шум и чувствительность.

    В следующем списке перечислены статьи, опубликованные по этой теме о структурных материалах на белковой основе.Чтобы загрузить любую из статей, перейдите по URL-адресу http://link.springer.com/journal/11837/71/4/page/1 на страницу содержания апрельского выпуска 2019 г. (том 71, № 4 ):

    • «Нанофибриллы как строительные блоки шелковых волокон: критический обзор экспериментальных данных» Цицзюэ Ван и Ханнес С. Шнипп.

    • «Оптимизация водной двухфазной системы желатин-фосфат калия для приготовления микросфер гидрогеля» Пелин Эркок, Нихал Доган и Седа Кизилел.

    • «Многократно применяемая пептидная пленка убивает бактерии на зубных имплантатах» Кейт Уисдом, Кейси С. Чен, Эсра Юка, Ян Чжоу, Кандан Тамерлер и Малкольм Л. Снид.

    • «Самособирающиеся рекомбинантные белки на металлических наночастицах в качестве зондов для бимодальной визуализации» Эсра Юка и Кандан Тамерлер.

    Благодарности

    Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом (номер гранта DMR-1352542).

    Информация об авторе

    Принадлежность

    1. Колледж Вильгельма и Марии, почтовый ящик 8795, Вильямсбург, Вирджиния, 23185, США

      Ханнес С. Шнипп

    Автор, ответственный за переписку

    Ханнес С. Шнипп.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя

    Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *