物質學院鐘超課題組利于基因模塊方法開發出超強水下粘合蛋白材料

ON2019-08-28CATEGORY科研進展

我校物質學院材料和物理生物學研究部鐘超課題組利用基因模塊方法理性設計并開發出基于哺乳動物低復雜序列蛋白的超強水下粘合涂層材料。該成果于 2019 年 8 月 23 日在《Science 子刊 Science Advances》上以“Exploiting mammalian low-complexity domains for liquid-liquid phase separation–driven underwater adhesive coatings”為題在線發表。該成果為如何在生物工程和生物材料領域開發和利用基于哺乳動物低復雜序列蛋白的液液相分離行為提供了重要啟示(圖1)。

近年來,哺乳動物細胞內廣泛存在的液液相分離(LLPS)現象備受生物學家關注,細胞內的蛋白分子可以通過液液相分離形成液態凝結物(liquid condensates),即無膜細胞器,調節細胞內的生理活動,在突變或惡劣條件下,液態凝結物會進一步形成與神經退行性疾病相關的病理性淀粉樣蛋白纖維。細胞內蛋白的這種順序自組裝(sequential assemblies)在生物學領域的重要性逐漸被發現并認可,但是很少被探索或應用到分子材料設計中。

  受生物學家的研究啟發,研究人員從細胞內液液相分離和固液相轉變的順序自組裝過程得到靈感,開發了一種新型的基于蛋白的仿生超強水下粘合材料,首次將哺乳動物細胞中的低復雜序列蛋白應用于可控的功能生物材料領域。作者篩選并選取了哺乳動物細胞中 TDP-43 的低復雜結構域(TLC),為了獲得強大的水下粘性,研究團隊進一步融合了來源于海洋生物貽貝的超強足絲粘合蛋白 Mfp5 (含有大量多巴殘基的 Mfp5 是使貽貝牢固結合在海底巖石上的主要界面粘合蛋白之一),構建成融合蛋白 TLC-M。實驗結果表明, TLC-M 在低溫下會形成高蛋白濃度的液態凝結體,這種液態凝結體具有很低的界面能,有利于蛋白吸附在水下的基底表面而不被外力沖散或溶解。隨后,TLC-M 可以自發地經過液固相轉變組裝形成淀粉樣蛋白纖維,最終形成牢固的水下粘合涂層(圖2)。

   研究人員利用原子力顯微鏡球形探針技術表征了這種粘合涂層材料的水下粘性,在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中一部分酪氨酸殘基轉化成多巴殘基,最終形成的粘性涂層材料的粘合能達到 48.1 mJ/m2,是目前粘性最強的水下粘合蛋白材料。由于TLC-M蛋白分子的順序自組裝驅動力來源于自身蛋白的核心α-helix 結構及其周圍的疏水殘基相互作用,因而該粘合材料可以在高鹽濃度(≤ 1M)和較寬pH范圍(3-11)的濕潤或者液體環境中制備和應用。

  此外,由于TLC-M 液液相分離形成的液態凝結體的流體特征,這種蛋白可以在粗糙的表面形成平整的涂層,此外也可以被注射到微管或者微流控管道等三維非規則表面形成均勻的粘性涂層,因此這種蛋白材料可廣泛地應用于各種基底表面。作為水下粘合劑的一個重要展示,作者還利用 TLC-M 蛋白與和聚苯乙烯小球混合后用于特氟龍材料裂縫的填補,初步證明了該粘性材料的應用潛力(圖3)。

  這項研究不僅構建了類似海洋生物水下粘合劑的蛋白分子,還模擬了自然粘合劑的液液相分離和液固相轉變等動態順序自組裝過程,極大程度上推動了科學家對海洋生物粘合劑分泌和粘合過程的理解,并提出了發展蛋白質材料和其他生物靈感系統工程的新策略。該研究同時還表明,低復雜結構域的液液相分離和固液相轉變可以作為一種新的工程原理來指導基于蛋白質材料和其他生物啟發系統的設計,為生物工程和材料工程的創造性思維打開了大門,給大家展示了如何將這些低復雜結構域的液液相分離和固液相轉變應用于解決材料科學中的基本問題。該研究也是鐘超課題組自2014年7月成立以來,在利用合成生物學構建基于淀粉樣蛋白生物材料研究方面的又一原創性成果。

  本文第一作者為上科大物質學院2016 級博士生崔孟奎,通訊作者為上科大物質學院材料和物理生物學研究部鐘超研究員,上科大為第一完成單位。課題在開展過程中,得到了中科院上海有機所生物化學交叉中心劉聰教授、吉林大學張俊虎教授及其課題組成員的幫助。論文宣傳圖由上科大創藝學院的Julie Liu 設計并繪制。上科大物質學院分析測試平臺、電鏡中心、中科院上海有機化學研究所生物交叉中心為材料表征給予了大力支持。與本論文相關的工作已申請國際專利(PCT/CN2018/101219)。該研究還得到了國家自然科學基金面上項目(項目編號:31570972)、青島海洋科學與技術國家實驗室 2016 年度開放基金(項目編號:QNLM2016ORP0403),中組部青年千人計劃以及上科大科研啟動基金的支持。

   文章鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaax3155

圖1.論文概覽

圖2.基因模塊方法理性構建水下粘合劑TLC-M,該蛋白能夠通過液液相分離吸附在表面并隨后在界面自組裝形成納米纖維。

圖3.液液相分離驅動的水下粘合劑TLC-M 的應用