向硅藻“偷师”，上科大/深圳先进院钟超课题组开发多孔矿化蛋白质/多糖复合材料，与细菌整合后可产氢气
The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》
上海科技大学/中科院深圳先进技术研究院钟超课题组以硅藻外壳为灵感，设计出融合蛋白R5CsgACBD，并将其与天然多糖甲壳素（chitin）结合，通过现代材料成型技术精确制造出有序多孔的膜状和海绵体状复合结构，在此基础上进行原位矿化，可形成类似硅藻的分层有序矿化结构。更特别的是，对海绵体状复合结构进行TiO2仿生矿化，并使表达产氢酶的细菌融入其中，所得到的结构可以在光照下持续产生氢气。
硅藻因其坚硬多孔的硅质保护壳而闻名于世。微观下，硅藻外壳结构精美，排列独特，并可利用其独特的多孔结构实现光合作用，是大自然的精妙杰作。如何在人造材料中重现硅藻壳的卓越结构和功能，尤其是构建出分层有序的功能性多孔复合结构，是仿生矿化领域的不懈追求。
在这项研究中，作者首先以硅藻功能特性为灵感，设计了可以自组装形成纤维、并可以诱导矿化的融合蛋白R5CsgACBD。R5CsgACBD由三种天然蛋白结构域融合而成：来自于硅藻壳硅化蛋白的保守序列R5肽段、来自于大肠杆菌生物被膜curli的主要蛋白成分CsgA，以及作为和支撑骨架进行桥连的重要成分甲壳素结合域CBD（chitin binding domain）。实验结果表明，R5CsgACBD可以自组装形成淀粉样蛋白纤维，并可以在体外成功地矿化形成无定形二氧化硅。
接下来，作者将R5CsgACBD和天然多糖甲壳素（chitin）结合，通过软刻蚀等现代材料成型技术，精确制造出了两种不同形状的多孔结构（有序多孔膜状和多孔海绵状），并通过多尺度原位矿化，形成了类似于硅藻的分层多孔的矿化结构。
下图展示了多孔膜状分层有序矿化结构的制备过程和结构形貌。除了图中展示的SiO2矿化结果外，也可以用TiO2等其他矿物成分进行矿化。
下图展示了以市售方糖为结构模板制备而成的自支撑三维功能蛋白纤维/甲壳素复合多孔海绵状结构（未矿化）。
在此基础上，作者以该结构为模板矿化TiO2，并将表达产氢酶的细菌整合到结构中。结果，在反应液中对该结构进行仿太阳光氙灯照射，可以产生氢气。
这项工作将仿生矿化、材料加工成型、活细胞催化技术相结合，使当前的三维多孔矿化结构成功应用在人工光合作用体系当中，为未来构建更复杂的多孔矿化结构并推广其应用提供了新的思路。
相关成果以“Diatom-inspired multiscale mineralization of patterned protein-polysaccharide complex structures”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。上海科技大学为第一完成单位，钟超研究员为通讯作者。上海科技大学马贵军课题组深度参与了此项工作。该工作得到了国家自然科学基金联合重点基金、上海市科委重点项目合成生物学专项以及中国博士后科学基金等项目的支持。课题组同时感谢上海科技大学物质学院材料学表征平台和电镜中心的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa191
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