塔夫茨大学David L. Kaplan和哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授《PNAS》：高弹性功能蛋白质材料的设计

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高弹性的蛋白质材料不仅在弹性组织中发挥着重要的力学功能，比如肺泡扩张，也可以应用于一系列的生物医学工程研究， 比如可穿戴生物电子设备和软体机器人等。蛋白质材料的高弹性一般源自其氨基酸序列和分子的构象，并认为和橡胶一样属于熵弹性。但是用于制备高弹性蛋白质材料的序列或分子设计非常有限，而这种序列-构象-弹性关系的分子机制也没有得到全面的理解。近日，Tufts大学David L. Kaplan 课题组和哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang 课题组合作在PNAS上发表名为《Conformation-driven strategy for resilient and functional protein materials》 的工作。其揭示了蛋白质弹性体的分子机制和制备了梯度蛋白质材料，为功能性蛋白质材料的发展提供了研究机会。文章第一作者为哈佛大学医学院、塔夫茨大学博士后研究员慕轩。

图1. 光交联丝蛋白水凝胶具备不同的分子构象（conformation）和机械弹力（resilience）。

研究者们采用了由Bombyx mori蚕茧再生得到的丝蛋白（Silk fibroin）溶液来进行这一项工作。丝蛋白具有生理相关的多重分子构象（conformational polymorphism），比如亚稳态的random coils 和稳态的β-sheets，因此是一种非常有益的蛋白质材料用于研究构象的调控变化和研究构象-弹性的关系。另外，丝蛋白的氨基酸序列和组成与自然界中的最常见的两种弹性蛋白质（resilin 和elastin）有明显的差异，因此有助于理解蛋白质弹性体的分子设计。比如， 与天然弹性蛋白相比，丝蛋白（重链）含有相匹配的甘氨酸含量，但是显著减少的脯氨酸含量。这一结果可能说明，甘氨酸的高含量是弹性所必须的；脯氨酸的含量不影响蛋白材料的弹性，但可能与构象的稳定性相关。丝蛋白溶液在基于Ru/SPS的光交联之后得到as-prepared的水凝胶；其在生理盐水中浸泡得到swollen水凝胶。As-prepared和swollen丝蛋白水凝胶都保持了random coil的分子构象。该分子构象并没有一个固定的三维结构，而是一系列可以快速，相互转换的三维结构。根据Boltzmann公式，微观状态数与熵相关。因此random coil构象具有较多的微观状态数和较高的熵。在外力拉伸丝蛋白水凝胶的作用下，丝蛋白分子链趋于相互平行，熵被降低。在外力去除之后，熵会自动增大，并由此驱动水凝胶恢复原先的形状。这一弹性形变过程只涉及熵的变化，且不涉及能量的损失，称为熵弹性。研究者进一步使用甲醇溶液对swollen丝蛋白水凝胶进行处理得到rigid 水凝胶。其中，丝蛋白分子的主要构象从random coils 转化为β-sheets。β-sheets具有固定的三维分子结构和单一的微观状态数，因此降低了熵和弹性。丝蛋白的构象多态性和以此构建的多种水凝胶提供了一个通用的技术平台用于研究构象-弹性关系。

图2. 丝蛋白水凝胶的弹性表征，与天然弹性蛋白的比较，以及与构象的关联。

研究者使用拉伸测试（tensile tests）和动态材料测试（dynamic mechanical analysis）表征了丝蛋白水凝胶的弹性。其中as-prepared 和swollen丝蛋白水凝胶的弹性与天然弹性蛋白resilin和elastin相差无几；而rigid 丝蛋白水凝胶则表现明显下降的弹性。例如，as-prepared丝蛋白水凝胶在不同的拉伸应变下保持超过97%的超高弹性和稳定的拉伸模量。Swollen丝蛋白水凝胶的机械性能受到其含水量增高的影响，其拉伸模量变小，而弹性略微降低，但仍保持与天然弹性蛋白质材料相匹配的水平。Rigid水凝胶则显示了显著降低的弹性，应由构象变化所致。另外，研究者通过控制甲醇溶液的处理时间，得到具有不同构象含量的丝蛋白水凝胶。研究者进一步使用了拉曼（Raman） 光谱，尤其是amide I的半峰宽和酪氨酸双峰比值（I850/I830）等半定量性质，表征了这些丝蛋白水凝胶的分子构象。研究结果展示丝蛋白的分子构象和其弹性具有直接的、几乎线性的关联。这些结果支持了传统的构象-弹性的关系，建议了基于构象操纵蛋白质水凝胶弹性的策略，以及提供了表征蛋白质水凝胶机械性能的光谱学方法。

图3. 基于构象的梯度蛋白质材料。

梯度材料（graded materials）常见于生物体内用于连接机械性能不一致的组织和材料，比如骨组织和肌肉，牙齿和牙龈，以及贝壳和岩石等。连续变化的机械性能有助于减小局部的应力过大和稳定不同组织间的连接等。研究者利用丝蛋白水凝胶的构象多态性和其构象-弹性的关系，构建了梯度蛋白质材料。研究者首先发展了单向的甲醇处理方法，让丝蛋白水凝胶具有空间连续变化的构象梯度，其由激光拉曼光谱进行表征。研究者再利用压缩方法测试了局部的水凝胶材料，其模量和弹性与构象的含量基本一致。比如，水凝胶的两端分别类似于弹性的as-prepared水凝胶和非弹性的rigid水凝胶；而中间的过度区域则展示了介于两端之间的构象和弹性。研究者进一步发展了有限元分析方法来模拟蛋白质材料的旋转，并取得与实验结果一致的模拟结果。例如，对于梯度蛋白质材料，旋转螺旋的位置都更偏向弹性的一段；而swollen水凝胶的螺旋则在中间。

文章链接：

https://www.pnas.org/content/119/4/e2115523119

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