陕师大杨鹏教授团队 Chem. Sci.：揭示淀粉样蛋白的界面组装机制

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淀粉样聚集体（Amyloid aggregates）是自然界中蛋白质的特殊存在形式，由蛋白质错误折叠形成的β-折叠结构组装而成。其结构不仅与人类神经退行疾病密切相关，还直接参与多种生物体的生命过程，如大肠杆菌、藤壶等生物的界面粘附、体内釉质生长和生命起源等。在过去的几十年里，体外淀粉样蛋白/肽聚集方面取得很大进展，揭示了淀粉样聚集主要以短肽片段为单体，经历较长的滞后期后从寡聚体组装成原纤维，进而在本体溶液中形成淀粉样纤维的过程。（图1a）

然而，上述经典的淀粉样纤维组装途径无法解释诸多与生命活动相关的粘附过程。首先，传统认为的淀粉样纤维主要以多肽片段为单体（常见的模型蛋白如溶菌酶，β-乳球蛋白等通常需要在强酸高温条件下水解得到），而在自然界中，大肠杆菌、藤壶等生物能够在温和的生物条件下，从全链长蛋白质（如CsgA 13k、Cp19k、Cp100k）中轻松产生淀粉样聚集体，以实现粘附和完成生物功能。单体类型的差异可能暗示在淀粉样转化路径中存在其他以全链长蛋白为单体的组装途径。其次，经典的纤维化途径难以解释自然界中观察到的淀粉样聚集体的形态多样性，如二维薄膜、片状/海绵状和网状聚集体等。非纤维化的组装途径可能是淀粉样蛋白多形态性的内在原因。第三，经典的纤维化机制不能很好地解释淀粉样聚集体的界面粘附层形成机制。例如，微米级的淀粉样纤维由于其较高的刚性表现出低界面活性，不利于其与不同结构表面发生稳定粘附。相比之下，自然界中的粘附相关蛋白质，如CsgA、藤壶粘附蛋白（Cp 20k）和贻贝足蛋白（Mfp），都是富含无序结构的，可轻松的粘附于从礁石到软组织等各类表面。此外，目前依然无法证明全链长蛋白单体是预先在溶液中形成β-折叠为主的寡聚体后粘附于界面，还是以无规卷曲的单体形式在界面吸附后聚集成核进而形成淀粉样粘附层的，因此淀粉样蛋白粘附的内在机理仍不明确。

近期，陕西师范大学化学与化工学院杨鹏教授领导的生物表界面与智能大分子团队提出了界面诱导的非结构化蛋白界面自适应组装机制（图1b）。作者以溶菌酶（Lyz）作为模型蛋白，通过二硫键还原剂三（2-羧乙基）膦（TCEP）在接近生理条件下使天然溶菌酶解折叠（图1b）。在整个组装过程中，溶菌酶单体保持了全链长的一级结构，这模拟了自然界中涉及淀粉样粘附的全链长蛋白。该研究证明了以下三个淀粉样蛋白组装及粘附相关的机制问题：（1）通过对比全链长单体在本体溶液和气液界面的组装特性，证明了界面在淀粉样组装和粘附增强中的关键作用。在气液界面，蛋白质在界面的寡聚化比传统的纤维途径快280倍，也比体相成核速率快48倍。揭示了非结构化蛋白以单体形式在界面富集、成核、进而形成二维薄膜的界面诱导组装机制（图2, 图3）。（2）证明了界面聚集形成的寡聚体具有盘状结构，内部具有无序排列的β-折叠结构（图4）。与传统纤维化途径中寡聚体从纤维界面脱离的二次成核不同，非结构化蛋白链段的高度灵活性，赋予其针对不同界面调整构象并进行粘附的自适应能力（图5）。（3）在非对称的气液界面，盘状寡聚体逐层堆叠形成Janus纳米膜。干燥后具有极高的杨氏模量（8.3 ± 0.6 GPa），其粘附强度是天然藤壶蛋白的两倍。这种自适应途径为制造多种淀粉样蛋白质的Janus蛋白膜提供了一种通用策略（图6）。其不需要外界能量输入的自下而上组装路径，在材料合成方面显示出巨大潜力。

这项研究挑战了经典的淀粉样纤维组装途径，提出了非结构化蛋白质的寡聚体堆积组装模型，为解决淀粉样蛋白相关的生物粘附问题提供了全新的线索，有望推动创新生物医学、生物技术和先进材料系统的发展。该工作以“Non-fibril Amyloid Aggregation at the Air/Water Interface: Self-adaptive Pathway Resulting in a 2D Janus Nanofilm”为题发表在《Chemical Science》上（Chem. Sci. 2024. 15, 8946-8958）。文章共同第一作者为陕西师范大学任浩、西安交通大学第一附属医院陈欢、长春应用化学研究所康雨。共同通讯作者为西安交通大学第一附属医院刘冰教授、长春应用化学研究所刘勇刚副研究员和陕西师范大学杨鹏教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1（a）传统的淀粉样蛋白纤维化组装途径；（b）自适应非纤维化组装途径

图2. R-Lyz在真空/水界面自组装行为的分子动力学模拟

图3.全链长蛋白质在本体溶液和界面上的组装行为

图4.盘状寡聚体表征及界面自适应组装

图5.全链长蛋白质的界面自适应组装行为

图6.在气液界面自下而上的自适应组装形成Janus纳米薄膜及粘附性能研究

该研究是团队近期在蛋白粘附机制方面的最新进展（Colloid and Interface Sci. Commun., 2018, 22, 42-48; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 17125-17135; Chem. Sci. 2024. 15, 8946 - 8958），从全新的角度解析了全链长的非结构化蛋白质在界面上的粘附过程。该研究为淀粉样蛋白的多形态组装结构和生物粘附功能的实现提供了理论依据，为神经退行性基本机制研究、海洋船舶防污和微生物抗粘附等领域的研究提供重要参考。文章中建立的非结构化蛋白的自适应层层组装模型，为制备非对称的蛋白质组装薄膜提供了新策略，在生物响应材料、先进分离技术等应用领域具有重要参考价值。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc00560k

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