PL220714B1 - Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia - Google Patents

Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia

Info

Publication number
PL220714B1
PL220714B1 PL395347A PL39534711A PL220714B1 PL 220714 B1 PL220714 B1 PL 220714B1 PL 395347 A PL395347 A PL 395347A PL 39534711 A PL39534711 A PL 39534711A PL 220714 B1 PL220714 B1 PL 220714B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
crystals
stm
protein
calcium carbonate
concentration
Prior art date
Application number
PL395347A
Other languages
English (en)
Other versions
PL395347A1 (pl
Inventor
Magdalena Wojtas
Justyna Seliga
Piotr Dobryszycki
Andrzej Ożyhar
Original Assignee
Politechnika Wroclawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Wroclawska filed Critical Politechnika Wroclawska
Priority to PL395347A priority Critical patent/PL220714B1/pl
Publication of PL395347A1 publication Critical patent/PL395347A1/pl
Publication of PL220714B1 publication Critical patent/PL220714B1/pl

Links

Landscapes

  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia, znajdujący zastosowanie przy projektowaniu nowych biomateriałów w inżynierii materiałowej oraz do przygotowania nośników leków.
Biomineralizacja jest procesem powszechnie występującym w przyrodzie, prowadzącym do powstawania kości, zębów, muszli, skorup ptasich jaj, zewnętrznych szkieletów skorupiaków itp. Głównym składnikiem tych biominerałów są nieorganiczne sole (nawet 95%), głównie fosforan lub węglan wapnia. Pomimo tak dużego udziału soli nieorganicznych, biominerały znacząco różnią się od czystych kryształów fosforanu czy węglanu wapnia pod względem twardości, kruchości czy odporności na ścieranie. To dzięki obecności organicznych makromolekuł, takich jak białka, biominerały nabierają niezwykłych właściwości. Białka rygorystycznie regulują kształt, rozmiar, odmianę polimorficzną i szybkość wzrostu kryształu. Dlatego coraz częściej bada się biomineralizację pod kątem potencjalnych zastosowań białek do tworzenia nowych materiałów o unikalnych właściwościach. W publikacji Lakshminarayanan, R., Valiyaveettil, S., Rao, V.S., Kini, R.M. Purification, characterization, and in vitro mineralization studies of a novel goose eggshell matrix protein, ansocalcin. J Biol Chem. 2003 278(5):2928-36) opisano rolę białek zaangażowanych w biomineralizację. Ansokalcyna, która jest składnikiem skorupy jaja gęsi, powoduje zmniejszenie wielkości kryształów węglanu wapnia oraz ich agregację in vitro. Istnieje też wiele doniesień na temat kontroli odmiany polimorficznej kryształów węglanu wapnia. Muszle mięczaków są zbudowane z dwóch odmian polimorficznych węglanu wapnia: aragonitu i kalcytu. Osobno wyizolowano białka zasocjowane z aragonitem i kalcytem, po czym przeprowadzono test in vitro, który pokazał, że wyekstrahowane białka nadal są zdolne do kontroli odmiany polimorficznej kryształu. Osteopontyna (OPN) jest białkiem występującym w kościach, zębach, skorupach ptasich jaj, a także w płynach ustrojowych takich jak mleko czy mocz, gdzie w różny sposób wpływa na powstawanie minerałów. W publikacji Hunter, G.K., Hauschka, P.V., Poole, A.R., Rosenberg, L.C., Goldberg, H.A. Nucleation and inhibition of hydroxyapatite formation by mineralized tissue proteins Biochem J. 1996 311 (Pt1):59-64 pokazano, że OPN hamuje wzrost hydroksyapatytu, kalcytu i szczawianu wapnia in vitro. Natomiast DMP1 (ang. dentin matrix protein 1) oraz DPP (ang. dentin phosphoprotein) znane z publikacji He, G., Ramachandran, A., Dahl, T., George, S., Schultz, D., Cookson, D., Veis, A., George, A. Phosphorylation of phosphophoryn is crucial for its function as a mediator of biomineralization J Biol Chem. 2005 280(39):33109-14 kontrolują tworzenie fosforanu wapnia w zębach i kościach. Wykazują również zdolność biomineralizacji in vitro. Białka zaangażowane w proces biomineralizacji występują w różnych organizmach i kontrolują powstawanie odmiennych biominerałów, pomimo to łączy je podobny skład aminokwasowy oraz właściwości strukturalne.
Biorąc pod uwagę wzrastającą rolę biominerałów w szeroko rozumianej inżynierii materiałowej coraz częściej próbuje się wykorzystać białka przy otrzymywaniu nowych materiałów.
Z publikacji T. M. Kapłon, G. Rymarczyk, M. Nocula-Ługowska, M. Jakób, M. Kochman, M. Lisowski, Z. Szewczuk, A. Ożyhar, Starmaker Exhibits Properties of an Intrinsically Disordered Protein Biomacromolecules 2008, 9, 2118-2125 znane jest białko Starmaker (Stm), pochodzące z Danio rerio, które bierze udział w biomineralizacji otolitów. Otolity znajdują się w uchu wewnętrznym ryby i odpowiadają za odczuwanie zmian grawitacyjnych oraz przyspieszenia. Białko Stm kontroluje wielkość, kształt i odmianę polimorficzną otolitów in vivo, co opisano w publikacji Sollner, C., Burghammer, M., Busch-Nentwich, E., Berger, J., Schwarz, H., Riekel, C., Nicolson, T. Control of crystal size and lattice formation by starmaker in otolith biomineralization Science 2003 302(5643):282-6).
Istota wytwarzania kryształów węglanu wapnia, według wynalazku, polega na tym, że do wodnego roztworu chlorku wapnia w stężeniu od 1 mM do 20 mM dodaje się rekombinowanego białka Stm ufosforylowanego przez kinazę kazeinową 2 w stężeniu od 10 μg/ml do 100 μg/ml, a następnie poddaje się reakcji z węglanem amonu w eksykatorze i pozostawia na czas wzrostu kryształów.
W badaniach in vitro nieoczekiwanie okazało się, że białko Stm powoduje znaczne zmniejszenie rozmiarów i wzrost ilości kryształów węglanu wapnia oraz zmianę kształtu kryształów. Ponadto fosforylacja Stm przez kinazę kazeinową 2 (CK2) powoduje zwiększenie aktywności biomineralizacyjnej Stm. Efektu tego nie udało się uzyskać bez Stm lub stosując białka kontrolne, jak np. trypsyna.
Białko Stm powoduje zmniejszenie wielkości kryształów węglanu wapnia. Co więcej, wielkość i ilość kryształów zależy od stężenia Stm - im wyższe stężenie Stm tym mniejsze kryształy. Ponadto ilość kryształów zwiększa się zarówno ze stężeniem białka, jak i stężeniem chlorku wapnia. Na wykresie 1 przedstawiono zależność wielkości kryształów węglanu wapnia od stężenia chlorku wapnia w roztworze.
PL 220 714 B1
Dla wyższych stężeń Stm (50 μg/ml i 100 μg/ml) wielkość kryształów w mniejszym stopniu była uzależniona od stężenia chlorku wapnia np. wobec 1 mM chlorku wapnia kryształy miały wielkość około 5 μm, natomiast dla 10 mM i 20 mM chlorku wapnia około 8 μm.
Białko Stm fosforylowane przez kinazę kazeinową 2 (StmP) wykazuje jeszcze większą zdolność do zmniejszania wielkości kryształów węglanu wapnia. Średnie wielości kryształów powstałych w obecności StmP wynosiły 7 μm, 2,5 μm, 2 μm odpowiednio dla stężeń StmP 10 μg/ml, 50 μg/ml, 100 μg/ml co przedstawiono na wykresie 2.
W obecności StmP wielkość kryształów bardzo słabo zależała od stężenia chlorku wapnia, a ilość kryształów zwiększała się ze stężeniem chlorku wapnia.
Co ważne, białko Stm powoduje znaczne ujednolicenie wielkości kryształów. Oznacza to, że dodanie Stm do roztworu powoduje powstawanie kryształów o tych samych albo prawie tych samych rozmiarach, zbliżonych do podanych wyżej średnich wymiarów.
Podsumowując, powyższe obserwacje jednoznacznie wskazują, że białka Stm i StmP redukują wielkość i kształt kryształów węglanu wapnia. Pokazano, że sterując stężeniem Stm i chlorku wapnia, można otrzymywać kryształy o zdefiniowanych rozmiarach i kształcie w sposób kontrolowany. Co więcej kryształy utworzone tym sposobem są jednorodne pod względem wielkości i kształtu. Efekt ten ma kluczowe znaczenie dla praktycznych zastosowań węglanu wapnia np. jako nośniki leków.
Sposobem według wynalazku uzyskuje się kryształy węglanu wapnia o zdefiniowanych rozmiarach i o zmienionej morfologii w porównaniu z kryształami wytwarzanymi w nieobecności białka Stm. Wynalazek może zostać wykorzystany do projektowania nowych biomateriałów w inżynierii materiałowej, a także do otrzymywania nanokryształów węglanu wapnia, które mogłyby posłużyć jako nośniki leków.
PL 220 714 B1
Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładach wykonania.
P r z y k ł a d 1
Wzrost kryształów prowadzono w studzienkach 96-dołkowej płytki do hodowli komórkowych. W dołku płytki umieszczono wodny roztwór chlorku wapnia w stężeniu 1 mM oraz białko Stm w stężeniu 10 μg/ml. Płytkę bez przykrywki umieszczono w eksykatorze wraz z 10 g stałego węglanu amonu, całość szczelnie zamykano. Węglan amonu rozkłada się na amoniak i dwutlenek węgla, który dyfunduje do roztworów chlorku wapnia zawierających białko Stm powodując tworzenie kryształów węglanu wapnia. Wzrost kryształów prowadzono przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Dla kontroli w identyczny sposób przeprowadzano wzrost kryształów bez żadnego białka, a także w obecności trypsyny. Tak otrzymane kryształy analizowano przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
P r z y k ł a d 2
Wzrost kryształów prowadzono w studzienkach 96-dołkowej płytki do hodowli komórkowych. W dołku płytki umieszczono wodny roztwór chlorku wapnia w stężeniu 20 mM oraz białko Stm w stężeniu 50 μg/ml. Płytkę bez przykrywki umieszczono w eksykatorze wraz z 10 g stałego węglanu am onu, całość szczelnie zamykano. Węglan amonu rozkłada się na amoniak i dwutlenek węgla, który dyfunduje do roztworów chlorku wapnia zawierających białko Stm powodując tworzenie kryształów węglanu wapnia. Wzrost kryształów prowadzono przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Dla kontroli w identyczny sposób przeprowadzano wzrost kryształów bez żadnego białka, a także w obecności trypsyny. Tak otrzymane kryształy analizowano przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
P r z y k ł a d 3
Wzrost kryształów prowadzono w studzienkach 96-dołkowej płytki do hodowli komórkowych. W dołku płytki umieszczono wodny roztwór chlorku wapnia w stężeniu 20 mM oraz białko Stm w stężeniu 100 μg/ml. Płytkę bez przykrywki umieszczono w eksykatorze wraz z 10 g stałego węglanu amonu, całość szczelnie zamykano. Węglan amonu rozkłada się na amoniak i dwutlenek węgla, który dyfunduje do roztworów chlorku wapnia zawierających białko Stm powodując tworzenie kryształów węglanu wapnia. Wzrost kryształów prowadzono przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Dla kontroli w identyczny sposób przeprowadzano wzrost kryształów bez żadnego białka, a także w obecności trypsyny. Tak otrzymane kryształy analizowano przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
P r z y k ł a d 4
Fosforylacja białka Stm. Fosforylację Stm przeprowadzano używając kinazy kazeinowej 2 (CK2). 1 mg oczyszczonego Stm inkubowano z 6,6 mU CK2 w buforze B zawierającym 50 μΜ ATP i 10 mM MgCl2 przez 1 godzinę w 37°C. Po fosforylacji białko było dializowane do buforu B w celu usunięcia jonów magnezu i ATP.
Wzrost kryształów prowadzono w studzienkach 96-dołkowej płytki do hodowli komórkowych. W dołku umieszczono wodny roztwór chlorku wapnia w stężeniu 10 mM oraz białko Stm ufosforylowane kinazą kazeinową 2 (CK2) w stężeniu 50 μg/ml. Płytkę bez przykrywki umieszczano w eksykatorze wraz z 10 g stałego węglanu amonu, całość szczelnie zamykano. Węglan amonu rozkłada się na amoniak i dwutlenek węgla, który dyfunduje do roztworów chlorku wapnia zawierających ufosforylowane białko Stm powodując tworzenie kryształów węglanu wapnia. Wzrost kryształów prowadzono przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Dla kontroli w identyczny sposób przeprowadzano wzrost kryształów bez żadnego białka, a także w obecności trypsyny. Tak otrzymane kryształy analizowano przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).

Claims (1)

  1. Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia, znamienny tym, że do wodnego roztworu chlorku wapnia w stężeniu od 1 mM do 20 mM dodaje się rekombinowanego białka Stm ufosforylowanego przez kinazę kazeinową 2 w stężeniu od 10 μg/ml do 100 μg/ml, a następnie poddaje się reakcji z węglanem amonu w eksykatorze i pozostawia na czas wzrostu kryształów.
PL395347A 2011-06-20 2011-06-20 Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia PL220714B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL395347A PL220714B1 (pl) 2011-06-20 2011-06-20 Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL395347A PL220714B1 (pl) 2011-06-20 2011-06-20 Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL395347A1 PL395347A1 (pl) 2012-02-27
PL220714B1 true PL220714B1 (pl) 2015-12-31

Family

ID=45699343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL395347A PL220714B1 (pl) 2011-06-20 2011-06-20 Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL220714B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL395347A1 (pl) 2012-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hincke et al. The eggshell: structure, composition and mineralization
Chatzianastasiou et al. Cardioprotection by H2S donors: nitric oxide-dependent and‑independent mechanisms
Wood Paleoecology of the earliest skeletal metazoan communities: implications for early biomineralization
EA200801943A1 (ru) Композиции, содержащие зародышевые стволовые клетки человека или их производные клетки, и способы получения таких композиций
Fulton Environmental factors influencing growth ofCordylophora
ATE381892T1 (de) Guanidinoessigsäure als futtermittelzusatz
Zhang et al. Dietary manganese supplementation affects mammillary knobs of eggshell ultrastructure in laying hens
EA201001578A1 (ru) Фармацевтическая композиция с бисфосфонатом
Wilt et al. The morphogenesis and biomineralization of the sea urchin larval skeleton
WO2015075561A3 (en) Crystalline forms of lesinurad and its sodium salt
Lopez‐Heredia et al. Mineralization of gellan gum hydrogels with calcium and magnesium carbonates by alternate soaking in solutions of calcium/magnesium and carbonate ion solutions
Cuéllar-Cruz Synthesis of inorganic and organic crystals mediated by proteins in different biological organisms. A mechanism of biomineralization conserved throughout evolution in all living species
Liu et al. Arginine-rich peptides as crystallization inhibitors for sodium urate
Yang et al. A novel matrix protein PfX regulates shell ultrastructure by binding to specific calcium carbonate crystal faces
Hossain et al. β-tricalcium phosphate synthesized in organic medium for controlled release drug delivery application in bio-scaffolds
JP2015028043A (ja) S−アデノシルメチオニンの安定な塩およびその調製のための方法
US10736988B2 (en) Bone substitute nanocomposites and methods of synthesis using multiphosphorylated peptides
PL220714B1 (pl) Sposób wytwarzania kryształów węglanu wapnia
Tan et al. Biomimetic mineralized DCPA/anti-CD47 containing thermo-sensitive injectable hydrogel for bone-metastatic prostate cancer treatment
Bosco et al. Adsorption of alendronate onto biomimetic apatite nanocrystals to develop drug carrier coating for bone implants
Wang et al. A facile method to in situ formation of hydroxyapatite single crystal architecture for enhanced osteoblast adhesion
CN104706636A (zh) 一种阿苯达唑制剂及制备方法
BR112017008734B1 (pt) Acelerador de produção de proteína tau e agente preventivo ou terapêutico e composição alimentícia preventiva ou terapêutica para doenças causadas por deficiência de proteína tau
Popov et al. Some physical, chemical, and biological parameters of samples of scleractinium coral aquaculture skeleton used for reconstruction/engineering of the bone tissue
KR102315997B1 (ko) Baf57 재조합 융합 단백질 및 이의 용도