KR102273628B1 - Development of Adhesive Mussel Protein Hydrogel Formulation by Introducing Histidine-based Protein Domain from Mussel Byssus - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 및 금속 이온을 포함하고, 상기 금속 이온은 홍합 접착 단백질 표면의 히스티딘과 결합된 하이드로젤에 관한 것으로, 본 발명에 따른 하이드로젤은 생체적합성이 우수하고 압출이 가능하여 적용의 형태가 자유로우며, 접착성이 강력하다.The present invention relates to a hydrogel comprising a histidine-introduced mussel adhesion protein and a metal ion, wherein the metal ion is bound to histidine on the surface of the mussel adhesion protein, and the hydrogel according to the present invention has excellent biocompatibility and excellent extrudability. It is possible to apply freely in the form of application and has strong adhesiveness.

Description

히스티딘 기반의 홍합 족사 유래 단백질을 도입한 접착성 홍합단백질 하이드로젤 제형 개발 {Development of Adhesive Mussel Protein Hydrogel Formulation by Introducing Histidine-based Protein Domain from Mussel Byssus}Development of Adhesive Mussel Protein Hydrogel Formulation by Introducing Histidine-based Protein Domain from Mussel Byssus}

히스티딘 기반의 홍합 족사 유래 단백질을 도입한 접착성 홍합단백질 하이드로젤에 관한 것이다.It relates to an adhesive mussel protein hydrogel in which a histidine-based protein derived from mussels is introduced.

최근, 홍합 접착 단백질은 유전자 형질전환체로부터 대량생산이 가능하게 되었다. 종래의 홍합접착 단백질 기반의 하이드로젤은 홍합 접착 단백질에 존재하는 아미노산인 3,4-다이하이드록시페닐알라닌(도파)의 가교를 통해 형성되었다. 이때 도파를 완전 산화 가교 시키는 방법과 철 이온을 통해 가교 시키는 방법이 존재하였으나, 완전 산화 가교 시키는 방법의 경우 홍합 접착 단백질이 접착성을 나타낼 수 있는 핵심 아미노산인 도파가 산화되며 접착성을 완전히 잃어버리게 되었으며, 철 이온을 통한 가교 방법 역시 접착에 기여해야 할 도파가 가교에 기여하게 되어 접착성이 현저히 감소하였다. 또한, 종래의 하이드로젤 시스템에서는 접착성과 제형의 가교 두가지 모두 도파로 인해 형성되어 양자간 균형을 맞추기 어려웠으며 적용분야에 한계점이 많았다.Recently, mussel adhesion proteins have become available for mass production from genetic transformants. A conventional hydrogel based on mussel adhesive protein was formed through cross-linking of 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA), an amino acid present in mussel adhesive protein. At this time, there was a method of completely oxidative crosslinking of waveguide and a method of crosslinking through iron ions. However, in the case of complete oxidative crosslinking, dopa, a key amino acid that can show adhesiveness in mussel adhesive protein, is oxidized and completely loses adhesiveness. Also, in the crosslinking method through iron ions, the waveguide, which should have contributed to the adhesion, contributed to the crosslinking, and the adhesion was significantly reduced. In addition, in the conventional hydrogel system, both adhesion and crosslinking of the formulation were formed due to waveguide, so it was difficult to balance the two, and there were many limitations in the field of application.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 한계점을 극복하기 위해 특정한 아미노산과 금속 이온 쌍이 형성하는 상호작용을 이용한 홍합 접착 단백질 기반의 새로운 하이드로젤을 개발하였다. 본 발명에서 사용한 홍합 접착 단백질은 유전자 형질전환체로부터 대량생산이 가능하며, 이를 통해 생산된 홍합 접착 단백질은 다양한 금속 이온과의 상호작용을 통해 하이드로젤을 형성하는 것을 확인하였다.Accordingly, the present inventors have developed a new hydrogel based on mussel adhesive protein using the interaction between a specific amino acid and a metal ion pair to overcome the limitations of the prior art. The mussel adhesive protein used in the present invention can be mass-produced from a genetic transformant, and it was confirmed that the mussel adhesive protein produced through this forms a hydrogel through interaction with various metal ions.

본 발명의 융합 단백질은 홍합 접착 단백질에 존재하는 아미노산과 금속 이온의 배위 결합을 통한 가교에 의해 하이드로젤을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 하이드로젤은 홍합 족사의 메커니즘을 응용하여 히스티딘에 의해 가교가 이루어져, 존재하는 도파가 순수하게 접착력을 형성함에 따라 기존의 물질에 비해 접착력이 뛰어난 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 배위결합으로 가교가 형성되면서 종래의 산화 가교를 통한 하이드로젤과 비교하였을 때, 본 발명의 하이드로젤은 금속과의 상호작용으로 인해 제형에 손상이 가해져도 손상을 스스로 회복하는 능력을 가졌으며, 세포 친화적인 가교방법으로 인해 우수한 세포 생존 능력을 갖는다는 점에서 조직공학적인 활용도가 우수하다.The fusion protein of the present invention can form a hydrogel by cross-linking through a coordination bond between an amino acid and a metal ion present in the mussel adhesive protein. The hydrogel thus formed was cross-linked by histidine by applying the mechanism of the mussel family, and it was confirmed that the existing waveguide formed a pure adhesive force, and thus had superior adhesion compared to the existing material. In addition, as crosslinks are formed by coordination bonds, when compared to hydrogels through conventional oxidative crosslinking, the hydrogel of the present invention has the ability to self-repair damage even when damage is applied to the formulation due to interaction with metal. , has excellent tissue engineering utility in that it has excellent cell viability due to the cell-friendly crosslinking method.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0027031호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0027031 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0026441호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0026441

본 발명에서는 홍합의 족사에 존재하는 단백질과 홍합의 접착성 단백질을 융합한 새로운 재조합 단백질을 개발하였다. 홍합의 족사에 존재하는 단백질은 히스티딘이 많은 단백질로 금속 이온과의 배위결합이 자유롭다.In the present invention, a new recombinant protein was developed by fusing the protein present in the mussel family and the adhesive protein of the mussel. The protein present in the mussel's foot is a protein rich in histidine, and it is free of coordination with metal ions.

또한, 새로이 개발된 재조합 단백질과 금속 이온의 상호 작용으로 형성된 하이드로젤은 자가적으로 제형의 손상과 강도를 회복할 수 있어 다양한 환경의 조직에 적용될 수 있다.In addition, the hydrogel formed by the interaction of the newly developed recombinant protein with metal ions can self-restore the damage and strength of the formulation, so it can be applied to tissues in various environments.

또한, 도파가 보존되는 가교 방법을 사용하여 형성된 하이드로젤은 기존의 홍합 접착 단백질로 만들어진 하이드로젤과 비교하여 우수한 접착력을 갖는 것이 확인되었다.In addition, it was confirmed that the hydrogel formed using the cross-linking method in which the waveguide was preserved has excellent adhesion compared to the hydrogel made of the conventional mussel adhesive protein.

또한, 자가적으로 제형의 손상을 재회복하는 것이 가능하여 압출을 통해 적용하는 것이 가능하여 적용의 형태가 자유로우며 이를 통해 삼차원 구조체의 형성 또한 가능하다.In addition, since it is possible to self-recover the damage of the formulation, it is possible to apply through extrusion, so the form of application is free, and through this, the formation of a three-dimensional structure is also possible.

본 발명은 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 및 금속 이온을 포함하고, 상기 홍합 접착 단백질은 표면에 카테콜 유도체가 존재하는 것이고, 상기 금속 이온은 홍합 접착 단백질 표면의 히스티딘과 결합된 것인, 하이드로젤을 제공한다.The present invention includes a mussel adhesion protein to which histidine has been introduced and a metal ion, wherein the mussel adhesion protein has a catechol derivative on its surface, and the metal ion is bound to histidine on the surface of the mussel adhesion protein, a hydrogel provides

또한, 본 발명은 Also, the present invention

(1) 홍합 접착 단백질에 히스티딘을 도입하는 단계; 및(1) introducing histidine into the mussel adhesion protein; and

(2) 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 수용액에 금속 이온을 첨가하는 단계;(2) adding metal ions to the histidine-introduced mussel adhesion protein aqueous solution;

를 포함하는 하이드로젤의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing a hydrogel comprising a.

본 발명에서는 히스티딘 기반의 홍합 접착 단백질을 개발하여 금속 이온과의 상호작용을 이용한 접착력이 증가된 접착성 하이드로젤을 개발하였다. 본 하이드로젤은 생체적합성을 가질 뿐만 아니라, 외부에서 가해진 힘에 의한 손상에도 제형의 강도를 스스로 회복하는 능력을 가져 압출을 통한 응용이 가능했다. 또한, 본 발명의 하이드로젤은 접착력을 잃지 않으면서도 적용이 간편하여 빠른 생체조직 재생을 유도할 수 있을 것으로 전망된다.In the present invention, by developing a histidine-based mussel adhesion protein, an adhesive hydrogel with increased adhesion using interaction with metal ions was developed. This hydrogel not only has biocompatibility, but also has the ability to recover the strength of the formulation even from damage caused by external force, so that it can be applied through extrusion. In addition, the hydrogel of the present invention is expected to be able to induce rapid regeneration of biological tissues because it is easy to apply without losing adhesion.

도 1은 본 발명에서 재조합 단백질의 개발에 사용된 족사에서 유래된 단백질과 홍합 접착 단백질 서열의 기본 DNA정보와 아미노산의 서열을 나타낸 것이다.
도 2는 여러 종류의 금속 이온과 상호 작용을 이룰 수 있는 히스티딘 기반의 홍합 접착단백질을 생산 및 정제한 결과를 SDS Page로 나타낸 것이다.
도 3은 재조합 기술을 이용하여 만들어진 히스티딘 기반의 홍합접착 단백질과 버섯 유래의 타이로시나아제를 반응시켜 도파를 생성할 수 있음을 보여주는 염색 데이터를 나타낸 것으로서, 반응 후의 히스티딘 기반 홍합 접착 단백질에서만 정확하게 염색이 되는 것을 통해 히스티딘 기반의 홍합 접착 단백질에 히스티딘 뿐만 아닌 도파도 확실하게 포함시킬 수 있음을 확인한 것이다.
도 4는 돼지의 피부를 사용하여 형성된 하이드로젤의 접착력을 비교한 것으로서, 기존의 방식과 같이 도파와 철을 이용해 가교한 하이드로젤보다 히스티딘 기반의 홍합접착 단백질을 사용하여 구리와 가교 시킨 하이드로젤의 접착력이 더 우수함을 확인한 것이다.
도 5는 만들어진 단백질을 여러 종류의 금속 이온과 섞어 일정한 형태의 구조를 유지할 수 있는 하이드로젤을 형성한 것이다.
도 6은 형성된 하이드로젤의 자가 치유적 성질을 수치화하기 위한 유동학적 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 히스티딘 기반의 홍합접착 단백질과 구리의 결합으로 형성한 하이드로젤의 농도에 따른 유동학적 물성 변화를 측정한 것이다.
도 8은 도 6과 도 7에서 측정한 제형의 자가 치유 능력을 실제 사례에 적용한 예시를 나타낸 것이다.
도 9는 근아세포, 섬유아세포 그리고 줄기세포를 하이드로젤에 담지하여 압출했을 때 세포 독성 테스트를 진행한 결과를 나타낸 것이다.
1 shows the basic DNA information and the amino acid sequence of the protein and mussel adhesion protein sequence derived from the foot family used for the development of the recombinant protein in the present invention.
FIG. 2 shows the results of production and purification of a histidine-based mussel adhesive protein capable of interacting with various types of metal ions as SDS Pages.
3 shows staining data showing that dopa can be generated by reacting histidine-based mussel adhesive protein made using recombinant technology with mushroom-derived tyrosinase. This confirmed that not only histidine but also dopa can be reliably included in the histidine-based mussel adhesion protein.
4 is a comparison of the adhesive strength of hydrogels formed using pig skin, and hydrogels crosslinked with copper using histidine-based mussel adhesive protein rather than hydrogels crosslinked with dopa and iron as in the conventional method. It was confirmed that the adhesive strength was better.
5 shows the formation of a hydrogel capable of maintaining a fixed structure by mixing the produced protein with various types of metal ions.
6 shows the results of rheological experiments to quantify the self-healing properties of the formed hydrogel.
7 is a graph showing changes in rheological properties according to the concentration of a hydrogel formed by the binding of a histidine-based mussel adhesive protein and copper.
8 shows an example of applying the self-healing ability of the formulation measured in FIGS. 6 and 7 to actual cases.
Figure 9 shows the results of the cytotoxicity test when extruded by supporting myoblasts, fibroblasts and stem cells in a hydrogel.

본 발명은 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 및 금속 이온을 포함하고, 상기 홍합 접착 단백질은 표면에 카테콜 유도체가 존재하는 것이고, 상기 금속 이온은 홍합 접착 단백질 표면의 히스티딘과 결합된 것인 하이드로젤에 관한 것이다. 여기에서, 상기 홍합 접착 단백질 표면의 카테콜 유도체는 접착력을 유지하는 채로 존재할 수 있다.The present invention provides a hydrogel comprising a mussel adhesion protein to which histidine is introduced and a metal ion, the mussel adhesion protein has a catechol derivative on its surface, and the metal ion is bound to histidine on the surface of the mussel adhesion protein. it's about Here, the catechol derivative on the surface of the mussel adhesive protein may exist while maintaining adhesive force.

본 발명에 있어서, 홍합 접착 단백질은 미틸러스 에둘리스 (Mytilus edulis), 미틸러스 갈로프로빈시얼리스 (Mytilus galloprovincialis) 및 미틸러스 코루스커스 (Mytilus coruscus)로 이루어진 군에서 선택되는 홍합과 패류에서 유래되는 천연 단백질, 이의 변이체 또는 재조합 단백질로서, 히스티딘이 도입된 것일 수 있다.In the present invention, the mussel adhesion protein is a mussel selected from the group consisting of Mytilus edulis , Mytilus galloprovincialis , and Mytilus coruscus. As a natural protein derived from the family shellfish, a mutant thereof, or a recombinant protein, histidine may be introduced.

홍합 접착 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열, 서열번호 4의 아미노산 서열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 아미노산 서열을 적어도 하나 이상 포함하는 것일 수 있다. 여기서 적어도 하나 이상은 2개, 3개, 4개, 10개, 20개, 30개, 40개, 50개, 100 개 또는 그 이상을 의미할 수 있다.The mussel adhesive protein may include at least one amino acid sequence selected from the group consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and combinations thereof. Here, at least one may mean 2, 3, 4, 10, 20, 30, 40, 50, 100 or more.

바람직한 일 예시로서, 도 1에 나타난 것과 같은 DNA 서열 (서열번호 1)을 발현시켰을 때의 아미노산 서열 (서열번호 2)일 수 있다. 또한, 바람직한 다른 예시로서, 도 1에 나타난 것과 같은 DNA 서열 (서열번호 3)을 발현시켰을 때의 아미노산 서열 (서열번호 4)일 수 있다. 상기 서열번호 2의 아미노산 서열 및 서열번호 4의 아미노산 서열은 단독으로, 또는 함께 가교되어 본 발명의 하이드로젤을 형성할 수 있다. 본 발명에서 서열번호 2 및/또는 4의 아미노산 서열은 적어도 2개 이상 하이드로젤 내 포함될 수 있다.As a preferred example, it may be an amino acid sequence (SEQ ID NO: 2) when the DNA sequence (SEQ ID NO: 1) as shown in FIG. 1 is expressed. In addition, as another preferred example, it may be an amino acid sequence (SEQ ID NO: 4) when the DNA sequence (SEQ ID NO: 3) as shown in FIG. 1 is expressed. The amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 may be cross-linked alone or together to form the hydrogel of the present invention. In the present invention, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 and/or 4 may be included in at least two or more hydrogels.

본 발명은 또한 위 언급된 홍합접착단백질들의 특성을 유지할 수 있는 보존적 아미노산 서열을 포함하는 범위에서 홍합접착단백질은 변형될 수 있다. 즉, 실질적으로 동등한 효과를 나타내는 상기 서열번호들의 아미노산 서열과 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 보다 더 바람직하게는 90%이상, 즉, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 그 이상의 서열 동일성을 가지는 아미노산 서열은 또한 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.According to the present invention, the mussel adhesive protein may be modified within the range including a conservative amino acid sequence capable of maintaining the properties of the mussel adhesive protein mentioned above. That is, 70% or more, preferably 80% or more, even more preferably 90% or more, that is, 95%, 96%, 97%, 98%, 99 of the amino acid sequence of the SEQ ID NOs showing substantially equivalent effects. Amino acid sequences having % or greater sequence identity are also included within the scope of the present invention.

본 발명에서 사용된 단백질은 다양한 기존의 홍합 접착 단백질에 부착 및 응용이 가능하여 활용도가 높다는 장점이 있다.The protein used in the present invention has an advantage in that it can be attached to and applied to various existing mussel adhesion proteins, and thus has high utility.

본 발명에 따른 하이드로젤에 있어서, 상기 금속 이온은 Zn2+, Ni2+, Co2+, Cu2+ 및 Fe3+로 이루어진 군에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 홍합 접착 단백질의 아미노산인 히스티딘과 배위결합할 수 있다.In the hydrogel according to the present invention, the metal ion may be one or more selected from the group consisting of Zn 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Cu 2+ and Fe 3+ , and is an amino acid of the mussel adhesive protein. It can coordinate with histidine.

본 발명에 따른 하이드로젤에 있어서, 홍합 접착 단백질은 카테콜 유도체가 도입된 것일 수 있다. 여기서, 카테콜 유도체는 홍합 접착 단백질의 티로신 잔기가 변환된 것일 수 있다. 대부분의 홍합 접착 단백질에서 전체 아미노산 서열 중 티로신이 차지하는 비중은 약 20-30%이다. 천연 홍합 접착 단백질 내의 티로신은 수화과정을 통하여 히드록시기를 첨가하여 카테콜 유도체 형태로 변환할 수 있다. 대장균에서 생산된 홍합 접착 단백질은 별도의 효소 및 화학적 처리 방법에 의하여 티로신 잔기를 카테콜 유도체로 변환시킬 수 있다. 홍합 접착 단백질에 포함된 티로신 잔기를 카테콜 유도체로 변환하는 방법은 당업계에 알려진 것과 같이, 티로시나아제 (tyrosinase)를 이용하는 방법을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 바람직하게는 버섯 티로시나아제를 이용한 in vitro 효소 반응을 통해 티로신을 도파 (3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA)로 변환시킬 수 있다.In the hydrogel according to the present invention, the mussel adhesive protein may be a catechol derivative introduced therein. Here, the catechol derivative may be one in which the tyrosine residue of the mussel adhesion protein is converted. In most mussel adhesion proteins, tyrosine accounts for about 20-30% of the total amino acid sequence. Tyrosine in the natural mussel adhesive protein can be converted into a catechol derivative by adding a hydroxyl group through the hydration process. The mussel adhesive protein produced in E. coli can convert a tyrosine residue into a catechol derivative by a separate enzymatic and chemical treatment method. As a method for converting a tyrosine residue contained in the mussel adhesive protein into a catechol derivative, as known in the art, a method using tyrosinase may be used, but is not limited thereto. Preferably, tyrosine can be converted into dopa (3,4-dihydroxyphenylalanine, DOPA) through an in vitro enzymatic reaction using mushroom tyrosinase.

상기 카테콜 유도체는 디히드록시기를 포함하는 화합물로, 금속과 배위결합이 가능한 것일 수 있다. 구체적으로는, 도파, 도파퀴논 (Dopa o-quinone), 도파민 (dopamine), 노르에피네프린 (norepinephrine), 에피네프린 (epinephrin), 에피갈로카테킨 갈레이트 (epigallocatechin gallate) 및 이들의 유도체 등일 수 있으며, 바람직하게는 도파일 수 있다.The catechol derivative is a compound containing a dihydroxy group, and may be one capable of coordinating with a metal. Specifically, dopa, dopaquinone (Dopa o-quinone), dopamine (dopamine), norepinephrine (norepinephrine), epinephrine (epinephrin), epigallocatechin gallate (epigallocatechin gallate) and derivatives thereof, etc. may be used, preferably It can be daunting.

상기 카테콜 유도체가 도입된 홍합 접착 단백질에서, 티로신 잔기를 변화시켜 카테콜 유도체를 도입한 경우, 홍합 접착 단백질에 존재하는 전체 티로신 잔기의 10 내지 100%를 카테콜 유도체로 변환할 수 있다.When the catechol derivative is introduced by changing the tyrosine residue in the mussel adhesive protein into which the catechol derivative is introduced, 10 to 100% of the total tyrosine residue present in the mussel adhesive protein can be converted into a catechol derivative.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 하이드로젤 및 줄기세포를 포함하는 줄기세포 전달체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a stem cell delivery system comprising the hydrogel and stem cells according to the present invention.

또한, 본 발명은 (1) 홍합 접착 단백질에 히스티딘을 도입하는 단계, 및 (2) 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 수용액에 금속 이온을 첨가하는 단계를 포함하는 하이드로젤의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for preparing a hydrogel, comprising the steps of (1) introducing histidine into a mussel adhesive protein, and (2) adding metal ions to an aqueous solution of mussel adhesive protein to which histidine has been introduced.

본 발명에 따른 하이드로젤의 제조 방법에서, (3) 타이로신 가교시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 홍합 접착 단백질에 포함된 타이로신을 서로 가교시킴으로써, 제조되는 하이드로젤의 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 제조방법에 있어서 홍합 접착 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열, 서열번호 4의 아미노산 서열, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 아미노산 서열을 적어도 하나 이상 포함하는 것일 수 있다.In the method for producing a hydrogel according to the present invention, the step of (3) tyrosine crosslinking may be further included. By crosslinking the tyrosine contained in the mussel adhesive protein with each other, the strength of the prepared hydrogel can be improved. In the preparation method, the mussel adhesive protein may include at least one or more amino acid sequences selected from the group consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and combinations thereof.

본 발명은 상기 하이드로젤을 포함하는 생체 적찹제용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for biocompatible agents comprising the hydrogel.

본 발명은 상기 하이드로젤 및 세포를 포함하는 세포 전달용 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 조성물은 하이드로젤의 독성 없이 높은 생체 접착능을 통하여 세포를 환부 또는 전달을 목적하는 적절한 부위에 전달하고, 이를 통해 세포의 상기 환부 또는 전달을 목적하는 적절한 부위에서의 부착을 증진시켜 이의 작용을 크게 증진시킨다. 상기 세포는 이에 한정되지 않지만 근아세포, 섬유아세포, 줄기세포 등일 수 있다.The present invention provides a composition for cell delivery comprising the hydrogel and cells. The composition according to the present invention delivers cells to the affected area or an appropriate site for delivery through high bioadhesive capacity without the toxicity of the hydrogel, and through this, promotes adhesion of cells to the affected area or an appropriate site for delivery. It greatly enhances its action. The cells are not limited thereto, but may be myoblasts, fibroblasts, stem cells, and the like.

실시예 및 실험예Examples and Experimental Examples

이하에서는 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예 1. 도파가 도입된 홍합 접착 단백질 제조Example 1. Preparation of dopa-introduced mussel adhesive protein

서열번호 2의 홍합 접착 단백질에 버섯 티로시나아제를 이용한 in vitro 효소 반응을 통해 홍합 접착 단백질의 티로신을 도파로 변환시켰다. 제조한 홍합 접착 단백질의 SDS page 결과를 도 2에 나타내었다. 빨간 사각형으로 표시된 부분이 생산된 홍합 접착 단백질이 띄는 밴드이며, 같은 라인에서 타 밴드가 관찰되지 않았는데, 이는 제조하고자 하는 단백질이 생성되었고 순수하게 정제가 되었음을 의미한다.Tyrosine of the mussel adhesive protein of SEQ ID NO: 2 was converted into dopa through an in vitro enzymatic reaction using mushroom tyrosinase on the mussel adhesive protein. The SDS page results of the prepared mussel adhesive protein are shown in FIG. 2 . The part marked with a red square is a band showing the produced mussel adhesive protein, and no other bands were observed in the same line, which means that the protein to be prepared was generated and purified.

실시예 2. 홍합 접착 단백질 및 금속 이온을 포함하는 하이드로젤 제조Example 2. Preparation of Hydrogel Containing Mussel Adhesive Protein and Metal Ions

실시예 1에 따라 제조한 홍합 접착 단백질의 수용액 (농도 5중량%)을 준비하고, Zn2+을 첨가한 후 교반하여 하이드로젤을 제조하였다.A hydrogel was prepared by preparing an aqueous solution (concentration of 5% by weight) of mussel adhesive protein prepared according to Example 1, adding Zn 2+ , and stirring.

동일한 방법으로 Ni2+, Co2+, Cu2+ 및 Fe3+을 각각 첨가한 하이드로젤을 제조하였으며, 그 모습을 도 5에 나타내었다. 각각의 하이드로젤은 첨가된 금속 이온에 따라 다른 색을 나타내었다.In the same manner, a hydrogel was prepared in which Ni 2+ , Co 2+ , Cu 2+ and Fe 3+ were added, respectively, the appearance of which is shown in FIG. 5 . Each hydrogel exhibited a different color depending on the added metal ion.

실험예 1. NBT 염색 결과 확인Experimental Example 1. Confirmation of NBT staining results

실시예 2에서 제조한 하이드로젤을 축축하게 잠길 정도로 소듐 보레이트 용액으로 침지시키고 10분간 회전 배양하였다. 그 후, 소듐 보레이트 용액을 버리고, 탈이온수로 10분간 회전 배양하였다. 탈이온수를 버리고, 소듐 글리시네이트 30ml와 NBT 용액 500 μl를 첨가하고 발색될때까지 염색시킨다. 염색이 완료된 후 용액을 버리고, 잔여 하이드로젤을 소듐 보레이트 용액으로 침지시키고 10분간 회전 배양하였다. 그 후, 소듐 보레이트 용액을 버리고, 탈이온수로 10분간 회전 배양하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 그 결과, 반응 후의 히스티딘 기반 홍합 접착 단백질에서만 정확하게 염색이 되는 것을 확인하였으며 히스티딘 기반의 홍합 접착 단백질에 히스티딘 뿐만 아닌 도파도 확실하게 포함시킬 수 있음을 확인하였다.The hydrogel prepared in Example 2 was immersed in a sodium borate solution to the extent that it was moistened, and rotationally cultured for 10 minutes. Thereafter, the sodium borate solution was discarded and rotation incubated with deionized water for 10 minutes. Discard deionized water, add 30 ml of sodium glycinate and 500 μl of NBT solution, and dye until color is developed. After staining was completed, the solution was discarded, and the remaining hydrogel was immersed in sodium borate solution and incubated for 10 minutes by rotation. Thereafter, the sodium borate solution was discarded, and the result was shown in FIG. 3 by rotation in deionized water for 10 minutes. As a result, it was confirmed that only the histidine-based mussel adhesive protein after the reaction was accurately stained, and it was confirmed that dopa as well as histidine could be reliably included in the histidine-based mussel adhesive protein.

실험예 2. 하이드로젤의 접착능력 확인Experimental Example 2. Confirmation of adhesive ability of hydrogel

실시예 2에서 제조한 하이드젤을 1cm x 1cm 돼지 피부 시편 사이에 피브린 글루, 철을 사용한 하이드로젤, 구리를 사용한 하이드로젤 3가지의 물질을 0.05 ml씩 첨가한 후 pH 7.4 PBS 용액에 첨가한 상태로 6시간 접착시킨 후 접착력을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 그 결과, 기존의 방식과 같이 도파와 철을 이용해 가교한 하이드로젤보다 히스티딘 기반의 홍합접착 단백질을 사용하여 구리와 가교 시킨 실시예 2의 하이드로젤의 접착력이 더 우수함을 확인하였다.The hydrogel prepared in Example 2 was added to a pH 7.4 PBS solution after adding 0.05 ml of fibrin glue, a hydrogel using iron, and a hydrogel using copper between 1 cm x 1 cm pig skin specimens. The result of measuring the adhesive force after bonding for 6 hours is shown in FIG. 4 . As a result, it was confirmed that the hydrogel of Example 2 cross-linked with copper using a histidine-based mussel adhesive protein was superior to the hydrogel cross-linked using dopa and iron as in the conventional method.

실험예 3. 하이드로젤의 자가 치유 성질 확인Experimental Example 3. Confirmation of self-healing properties of hydrogels

실시예에서 Zn2+, Ni2+, Co2+을 사용하여 형성한 하이드로젤을 실험대상으로 삼았다. 임계 변형률 수준까지 전단 응력을 상승시키며 실험을 진행하였고, 60초간의 회복 시간을 준 다음 다시 동일한 실험을 반복하였다. 이때 다시 같은 수준의 강도를 회복하는 것을 보여주었다 (도 6).In Examples, hydrogels formed using Zn 2+ , Ni 2+ , Co 2+ were used as test subjects. The experiment was carried out while increasing the shear stress up to the critical strain level, and the same experiment was repeated again after giving a recovery time of 60 seconds. At this time, it was shown that the same level of strength was restored again (FIG. 6).

실험예 4. 하이드로젤의 압출을 통한 구조체 형성 및 형태 유지 여부 확인Experimental Example 4. Confirmation of structure formation and shape maintenance through extrusion of hydrogel

상기 실시예 2의 제조 방법으로 제조한 히스티딘 기반의 홍합접착 단백질과 구리의 결합으로 형성한 하이드로젤의 농도에 따른 유동학적 물성 변화를 측정한 결과를 도 7에 나타내었다. 모든 농도에서 자가치유 성질이 확실하게 확인되었으며 기계적 물성 또한 농도에 비례하게 증가됨을 확인하였다.Fig. 7 shows the results of measuring the change in rheological properties according to the concentration of the hydrogel formed by the binding of copper and the histidine-based mussel adhesive protein prepared by the preparation method of Example 2 above. Self-healing properties were clearly confirmed at all concentrations, and it was confirmed that mechanical properties also increased in proportion to the concentration.

또한, 타이로신을 이용한 가교를 진행한 후에 PBS용액에 보존하였을 때 압출 후 타이로신 가교가 된 제형은 7일 이상 형태를 보존함을 확인할 수 있었다. (도 8)In addition, it was confirmed that the tyrosine cross-linked formulation after extrusion preserves the shape for more than 7 days when stored in PBS solution after cross-linking using tyrosine. (Fig. 8)

실험예 5. 세포 독성 확인Experimental Example 5. Confirmation of cytotoxicity

Zn2+을 사용하여 형성한 하이드로젤에 타이로신 가교를 위해 필요한 화학 첨가물을 첨가하고, 근아세포, 섬유아세포 및 줄기세포를 각각 하이드로젤에 담지시켜 압출한 후 세포 독성 테스트를 수행하였다.Chemical additives necessary for tyrosine crosslinking were added to the hydrogel formed using Zn 2+ , and myoblasts, fibroblasts, and stem cells were each supported on the hydrogel and extruded, followed by a cytotoxicity test.

Live/Dead 이미징을 통해 분석한 결과 높은 세포 생존율을 나타내어 본 발명에 따른 하이드로젤이 세포 전달에 적합한 독성을 나타냄을 확인하였다 (도 9).As a result of analysis through Live/Dead imaging, it was confirmed that the hydrogel according to the present invention exhibited a toxicity suitable for cell delivery by showing a high cell viability (FIG. 9).

이상과 같이 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, the present invention has been described through examples. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

<110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Development of Adhesive Mussel Protein Hydrogel Formulation by Introducing Histidine-based Protein Domain from Mussel Byssus <130> POSTECH1-67P-1 <150> KR 10-2018-0119676 <151> 2018-10-08 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> fp DNA sequence <400> 1 catgtgcaca cccatcgcgt gctgcataaa 30 <210> 2 <211> 10 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> fp <400> 2 His Val His Thr His Arg Val Leu His Lys 1 5 10 <210> 3 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> fp-1 variant DNA sequence <400> 3 gcgaaaccga gctatccgcc gacctataaa 30 <210> 4 <211> 10 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> fp-1 variant <400> 4 Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys 1 5 10 <110> POSTECH ACADEMY-INDUSTRY FOUNDATION <120> Development of Adhesive Mussel Protein Hydrogel Formulation by Introducing Histidine-based Protein Domain from Mussel Byssus <130> POSTECH1-67P-1 <150> KR 10-2018-0119676 <151> 2018-10-08 <160> 4 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> fp DNA sequence <400> 1 catgtgcaca cccatcgcgt gctgcataaa 30 <210> 2 <211> 10 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> fp <400> 2 His Val His Thr His Arg Val Leu His Lys 1 5 10 <210> 3 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> fp-1 variant DNA sequence <400> 3 gcgaaaccga gctatccgcc gacctataaa 30 <210> 4 <211> 10 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> fp-1 variant <400> 4 Ala Lys Pro Ser Tyr Pro Pro Thr Tyr Lys 1 5 10

Claims (9)

히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 및 금속 이온을 포함하고,
상기 홍합 접착 단백질은 표면에 카테콜 유도체가 존재하는 것이고,
상기 금속 이온은 홍합 접착 단백질 표면의 히스티딘과 결합된 것인, 하이드로젤.
and a histidine-incorporated mussel adhesion protein and a metal ion,
The mussel adhesive protein has a catechol derivative on the surface,
The metal ion is bound to histidine on the surface of the mussel adhesive protein, hydrogel.
제1항에 있어서,
결합은 배위결합인, 하이드로젤.
According to claim 1,
The bond is a coordination bond, hydrogel.
제1항에 있어서,
금속 이온은 Zn2+, Ni2+, Co2+, Cu2+ 및 Fe3+로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인, 하이드로젤.
According to claim 1,
The metal ion is one or more selected from the group consisting of Zn 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Cu 2+ and Fe 3+ , the hydrogel.
제1항에 있어서, 카테콜 유도체는 홍합 접착 단백질의 티로신 잔기가 변환된 것인, 하이드로젤.The hydrogel according to claim 1, wherein the catechol derivative is a tyrosine residue of the mussel adhesion protein converted. 제1항에 있어서, 카테콜 유도체는 도파, 도파퀴논, 도파민, 노르에피네프린, 에피네프린 및 에피갈로카테킨 갈레이트로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인, 하이드로젤.The hydrogel of claim 1, wherein the catechol derivative is at least one selected from the group consisting of dopa, dopaquinone, dopamine, norepinephrine, epinephrine and epigallocatechin gallate. 제1항에 있어서, 홍합 접착 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열, 서열번호 4의 아미노산 서열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 아미노산 서열을 적어도 하나 이상 포함하는 것인 하이드로젤.The hydrogel of claim 1, wherein the mussel adhesive protein comprises at least one amino acid sequence selected from the group consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and combinations thereof. (1) 홍합 접착 단백질에 히스티딘을 도입하는 단계; 및
(2) 히스티딘이 도입된 홍합 접착 단백질 수용액에 금속 이온을 첨가하는 단계;
를 포함하는 하이드로젤의 제조 방법.
(1) introducing histidine into the mussel adhesion protein; and
(2) adding metal ions to the histidine-introduced mussel adhesion protein aqueous solution;
A method for producing a hydrogel comprising a.
제7항에 있어서,
(3) 타이로신을 가교시키는 단계;
를 더 포함하는 하이드로젤의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
(3) crosslinking tyrosine;
A method for producing a hydrogel further comprising a.
제7항에 있어서, 홍합 접착 단백질은 서열번호 2의 아미노산 서열, 서열번호 4의 아미노산 서열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 아미노산 서열을 적어도 하나 이상 포함하는 것인 하이드로젤의 제조 방법.
The method according to claim 7, wherein the mussel adhesive protein comprises at least one or more amino acid sequences selected from the group consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4, and combinations thereof. .
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