《Acta Biomaterialia》：The Effects of Volume Exclusion and Viscosity on Collagen Fiber Nucleation and Network Morphology
编辑推荐：
本研究探究了不同浓度多糖和聚乙二醇对胶原蛋白自组装成核速率及凝胶力学性能的影响。发现拥挤环境显著加速成核，其中PEG的促效作用强于同浓度多糖，且体积分数与粘度竞争影响成核时间，最终导致凝胶硬度与纤维形态的差异。
Iris G. Mercer | Mindle S. Paneth | Mathieu Lecarpentier | Laura J. Kaufman
哥伦比亚大学化学系，纽约州纽约市 10025
摘要
蛋白质的行为，包括蛋白质-蛋白质之间的相互作用和自我组装，在稀薄缓冲液中的表现与体内典型的拥挤环境中的情况不同。我们使用了一系列多糖和聚乙二醇（PEG）以及在生理范围内的小分子类似物，全面研究了拥挤对胶原蛋白自我组装成纤维的影响。研究发现，拥挤会按排除体积的比例加速胶原蛋白纤维的成核过程，而不会改变胶原蛋白的二级结构或热稳定性；在相同的体积分数下，PEG的加速效果比多糖更显著。此外，我们还观察到了体积分数和粘度对成核过程的竞争性影响，在高度拥挤的情况下，体积分数对成核时间的控制作用更为明显。我们的研究结果与之前关于胶原蛋白凝胶化随温度变化的研究一致，表明由这些溶液形成的胶原蛋白凝胶在形态和机械性能上的差异主要取决于成核时间的变化：较短的成核时间会导致较软的胶原蛋白网络，其中包含大量细纤维；而较长的成核时间则会产生较硬的网络，其中纤维束较为稀疏且粗大。
意义声明
我们研究了多种大分子及其小分子类似物对胶原蛋白自我组装以及由此产生的胶原蛋白凝胶的纤维和网络性质的影响。我们观察到排除体积和粘度对胶原蛋白成核过程的竞争性影响，这种影响取决于共溶物的体积分数，并认为最终凝胶的形态变化仅由成核时间的变化所决定。这项工作阐明了共溶剂对胶原蛋白自我组装的多种影响，对于控制胶原蛋白材料的性质以及理解拥挤现象及其对其他自组装蛋白质的相关效应具有重要意义。
章节摘录
引言
细胞内和细胞外空间是复杂且拥挤的环境，高达40%的自由体积被不溶性的基质蛋白、可溶性大分子以及各种小分子占据[[1], [2], [3]]。这些成分所占的体积具有重要的热力学意义，会影响周围介质中发生的反应的平衡和动力学[4]。排除体积效应是非特异性的且影响范围广泛，即使是很小的体积分数变化也会产生影响。
储备溶液的制备
Dextran 70（[math>Mr约为70克/毫升）和Ficoll 70（聚蔗糖70）[math>Mr约为70克/毫升）均购自Sigma公司；Dextran 500（[math>Mr约为500克/毫升）则购自Spectrum Chemical公司。将这些分子溶解在去离子水中并轻轻混合，制备成100毫克/毫升的储备溶液。蔗糖（Research Products International）和D-葡萄糖（Sigma）也溶解在去离子水中，制备成500毫克/毫升的储备溶液；D-拉菲诺糖五水合物（AG Scientific）则溶解在去离子水中，浓度为100毫克/毫升。
结果
通过振荡剪切流变学方法，监测了0.75毫克/毫升的中和后的鼠尾I型胶原蛋白溶液以及大分子或小分子试剂在溶胶-凝胶转变过程中的储能模量G'。与其他可用于监测胶原蛋白凝胶化的方法（如浊度测量）类似，储能模量的增长通常呈现S形曲线，如图1所示。与浊度测量不同，储能模量的测量提供了更直接的信息。
讨论
我们研究了多种可能通过增加拥挤程度或粘度来影响胶原蛋白自我组装速率的分子。在所有试剂体积分数大于0.10的情况下，胶原蛋白纤维的成核过程都得到了加速（见图3）。尽管蛋白质在拥挤环境中的相互作用加速现象已有充分记录，但在具体情况下其确切原因并不总是显而易见的。传统上，大分子的拥挤效应被认为是导致这一现象的主要原因。
结论
在这项研究中，我们全面探讨了多种大分子和小分子对胶原蛋白自我组装动力学、形成的纤维和网络形态以及凝胶储能模量的影响。研究发现，大分子多糖能加速胶原蛋白纤维的成核过程，且在相同体积分数下，PEG的加速效果比Dextran或Ficoll更为显著。我们推测这种效应可能与PEG与水之间的相互作用有关。
CRediT作者贡献声明
Iris G. Mercer：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Mindle S. Paneth：实验研究。
Mathieu Lecarpentier：实验研究。
Laura J. Kaufman：撰写文本与编辑、项目监督、方法设计、实验研究、资金申请、概念构建。
