Abstract Biomechanical contributions of the ECM underpin cell growth and proliferation, differentiation, signal transduction, and other fate decisions. As such, biomaterials whose mechanics can be spatiotemporally altered – particularly in a reversible manner – are extremely valuable for studying these mechanobiological phenomena. Herein, we introduce a poly(ethylene glycol) (PEG)-based hydrogel model consisting of two interpenetrating step-growth networks that are independently formed via largely orthogonal bioorthogonal chemistries and sequentially degraded with distinct bacterial transpeptidases, affording reversibly tunable stiffness ranges that span healthy and diseased soft tissues (e.g., 500 Pa – 6 kPa) alongside terminal cell recovery for pooled and/or single-cell analysis in a near “biologically invisible” manner. Spatiotemporal control of gelation within the primary supporting network was achieved via mask-based and two-photon lithography; these stiffened patterned regions could be subsequently returned to the original soft state following sortase-based secondary network degradation. Using this approach, we investigated the effects of 4D-triggered network mechanical changes on human mesenchymal stem cell (hMSC) morphology and Hippo signaling, as well as Caco-2 colorectal cancer cell mechanomemory at the global transcriptome level via RNAseq. We expect this platform to be of broad utility for studying and directing mechanobiological phenomena, patterned cell fate, as well as disease resolution in softer matrices. TOC Description Biomaterials that can dynamically change stiffnesses are essential in further understanding the role of extracellular matrix mechanics. Using independently formulated and subsequently degradable interpenetrating hydrogel networks, we reversibly and spatiotemporally trigger stiffening/softening of cell-laden matrices. Terminal cell recovery for pooled and/or single-cell analysis is permitted in a near “biologically invisible” manner.

Abstract Biomechanical contributions of the extracellular matrix underpin cell growth and proliferation, differentiation, signal transduction, and other fate decisions. As such, biomaterials whose mechanics can be spatiotemporally altered‐ particularly in a reversible manner‐ are extremely valuable for studying these mechanobiological phenomena. Herein, a poly(ethylene glycol) (PEG)‐based hydrogel model consisting of two interpenetrating step‐growth networks is introduced that are independently formed via largely orthogonal bioorthogonal chemistries and sequentially degraded with distinct recombinant sortases, affording reversibly tunable stiffness ranges that span healthy and diseased soft tissues (e.g., 500 Pa–6 kPa) alongside terminal cell recovery for pooled and/or single‐cell analysis in a near “biologically invisible” manner. Spatiotemporal control of gelation within the primary supporting network is achieved via mask‐based and two‐photon lithography; these stiffened patterned regions can be subsequently returned to the original soft state following sortase‐based secondary network degradation. Using this approach, the effects of 4D‐triggered network mechanical changes on human mesenchymal stem cell morphology and Hippo signaling, as well as Caco‐2 colorectal cancer cell mechanomemory using transcriptomics and metabolic assays are investigated. This platform is expected to be of broad utility for studying and directing mechanobiological phenomena, patterned cell fate, and disease resolution in softer matrices.

Summary Integrin α5β1 is crucial for cell attachment and migration in development and tissue regeneration, and α5β1 binding proteins could have considerable utility in regenerative medicine and next-generation therapeutics. We use computational protein design to create de novo α5β1-specific modulating miniprotein binders, called NeoNectins, that bind to and stabilize the open state of α5β1. When immobilized onto titanium surfaces and throughout 3D hydrogels, the NeoNectins outperform native fibronectin and RGD peptide in enhancing cell attachment and spreading, and NeoNectin-grafted titanium implants outperformed fibronectin and RGD-grafted implants in animal models in promoting tissue integration and bone growth. NeoNectins should be broadly applicable for tissue engineering and biomedicine. One-Sentence Summary A de novo-designed fibronectin substitute, NeoNectin, is specific for integrin α5β1 and can be incorporated into biomaterials for regenerative medicine.

Material- and cell-based technologies such as engineered tissues hold great promise as human therapies. Yet, the development of many of these technologies becomes stalled at the stage of pre-clinical animal studies due to the tedious and low-throughput nature of in vivo implantation experiments. We introduce a 'plug and play' in vivo screening array platform called Highly Parallel Tissue Grafting (HPTG). HPTG enables parallelized in vivo screening of 43 three-dimensional microtissues within a single 3D printed device. Using HPTG, we screen microtissue formations with varying cellular and material components and identify formulations that support vascular self-assembly, integration and tissue function. Our studies highlight the importance of combinatorial studies that vary cellular and material formulation variables concomitantly, by revealing that inclusion of stromal cells can "rescue" vascular self-assembly in manner that is material-dependent. HPTG provides a route for accelerating pre-clinical progress for diverse medical applications including tissue therapy, cancer biomedicine, and regenerative medicine.

Site-specific installation of non-natural functionality onto proteins has enabled countless applications in biotechnology, chemical biology, and biomaterials science. Though the N-terminus is an attractive derivatization location, prior methodologies targeting this site have suffered from low selectivity, a limited selection of potential chemical modifications, and/or challenges associated with divergent protein purification/modification steps. In this work, we harness the atypically split VidaL intein to simultaneously N-functionalize and purify homogeneous protein populations in a single step. Our method─referred to as VidaL-tagged expression and protein ligation (VEPL)─enables modular and scalable production of N-terminally modified proteins with native bioactivity. Demonstrating its flexibility and ease of use, we employ VEPL to combinatorially install 4 distinct (multi)functional handles (e.g., biotin, alkyne, fluorophores) to the N-terminus of 4 proteins that span three different classes: fluorescent (Enhanced Green Fluorescent Protein, mCherry), enzymatic (β-lactamase), and growth factor (epidermal growth factor). Moving forward, we anticipate that VEPL's ability to rapidly generate and isolate N-modified proteins will prove useful across the growing fields of applied chemical biology.