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小小鱿鱼，竟蕴藏着解决塑料危机的密码？
为了解决塑料危机，合成生物学家同样在做着诸多努力，其中一种思路是改造工程菌使其能高效降解PE等塑料制品原材料，从而降低其对环境造成的污染。另一方面，科学家们也在积极寻找塑料的替代品，使我们能更安心的享受塑料制品给我们带来的便利。 来自宾夕法尼亚州立大学的Melik Demirel等在Frontiersin Chemistry上发表了题为”Squid-Inspired Tandem Repeat Proteins: Functional Fibers and Films” 的综述文章，向我们展示了合成生物学家们试图另辟蹊径，从鱿鱼中获得启示以解决塑料危机的过程[1]。
鱿鱼环齿是鱿鱼触须上捕获猎物时起吸附作用的结构，这种特殊的组织结构主要由相应的鱿鱼环齿（squid ring teeth, SRT）蛋白组成，由于其具有优异的机械性能，近些年来引起了很多生物学家和材料学家的关注。
目前SRT蛋白已被考虑应用于许多领域，如粘合剂、伤口敷料、电子设备、传感、智能可修复纺织品以及耐磨微纤维等。另外，由于其化学本质为蛋白质，相比于聚乙烯等化工原料制成的聚合物来说更易被降解。
因此，环境友好的生物材料SRT蛋白可能会帮助我们缓解塑料危机。
01
设计与合成
图1 | SRT蛋白可以直接从天然鱿鱼中提取，或通过微生物进行异源表达生产
经过基因工程改造的大肠杆菌是目前在工业生产蛋白质中使用最广泛的底盘之一，其目前也被用于SRT蛋白的生产。SRT蛋白单体的氨基酸序列大致可分为两段，其中一段为刚性的晶体结构，主要由甘氨酸通过氢键形成的β折叠片结构构成，而另一段则为无定型区域，其为富含甘氨酸和酪氨酸的柔性链。天然存在的SRT蛋白由这些SRT蛋白单体通过串联重复形成网络结构，其中的β折叠片起到交叉连接的作用。传统方法主要通过合成单体蛋白后进行交叉连接的方式进行高分子量蛋白聚合物的生产，由于交联过程的不稳定性，这样的生产方式会引入许多的结构缺陷，从而导致生产的材料在性能上逊色于天然状态。
因此，该研究团队开发了一种被称为保护性消化滚动环扩增的方法（protected digestion rolling cirle amplification, PD-RCA），该方法能够精准控制产品重复序列的数量，克服了传统方法存在的缺陷。 首先，该团队通过对当地的几个鱿鱼物种SRT蛋白的分析得到其刚性片段（PAAASVSTVHP）和柔性片段（STGTLSYGYGGLYGGLGYG）的氨基酸序列，将其（上图TR序列）从构建的质粒上消化下来并进行环化自连接，形成环形的单体TR序列（这里应该也能产生多聚环状），DNA聚合酶围绕环状DNA进行滚动复制产生具有随机串联重复数量的线性寡聚DNA序列，之后通过电泳选取合适大小的片段，再将其连接到表达载体中，从而精确地控制了最终产物的重复单元数量（具体过程见上图）。
02
理化性质
SRT蛋白材料的理化性质主要受以下因素影响：
（1）氨基酸组成。例如，SRT蛋白含有约11%组氨酸（pKa=6.0），因此可根据pH调节蛋白质电荷从而改变其质子传导性。
（2）二级结构（无规卷曲、α-螺旋、β-折叠）含量。有序结构域如β-折叠结构提供机械强度，而无序结构域为材料提供弹性和柔韧性。
（3）材料的整体网络形态。SRT材料可被认为是一种网络蛋白凝胶，通过调整SRT蛋白串联重复的数量，可使材料表现出从完美网络结构（串联重复数多，无序结构连接相邻β折叠片形成纳米晶体结构）到有缺陷的网络结构（串联重复数低，存在许多铰线结构）的网络形态。绞线结构有助于材料的应力承载和传输，且材料的密度最大化（空间利用率高）可改善材料性能。因此可通过调整SRT蛋白的分子量和串联重复来优化其机械和传输性能。
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制造与加工
如前所述，SRT单体蛋白的交联过程主要通过β折叠片间的氢键实现，因此这种非共价的交联方式是可逆的，通过酸液、表面活性剂或有机溶剂等可促进β折叠片的破坏，从而使蛋白溶解（溶剂残留物可通过蒸发等方式从最终产品中去除）。另外，通过加热也可以对SRT蛋白进行热塑性处理，从而优化其纳米结构。
总之，利用溶解和热基处理的方法，结合传统的材料加工工艺（如挤出、喷射、层压等），可以使SRT蛋白在微观和宏观尺度上被加工成性能各异的材料：例如，通过滴铸制造的独立式透明柔性SRT薄膜可被用作基材、膜或支撑材料、可生物降解的传感器和可拉伸的质子导体的制造；利用SRT蛋白制成的仿生翅膀表现出与昆虫翅膀类似的理化性质（机械强度和柔韧性）；使用基于模板的纳米润湿和毛细管微模塑法制造的SRT纳米结构薄膜可被用于生产高纵横比的纳米纤维阵列等。
04
SRT涂层减少微塑料释放
微塑料（粒径小于5mm的塑料颗粒）作为人类活动的污染物，已广泛存在于自然界中，微塑料被生物摄入后再通过食物链的富集作用最终可进入人体，从而产生严重的健康威胁。
由于人口急剧增加导致的对纺织品的需求大幅上升，聚酯、尼龙等制成的合成纤维逐渐替代了天然纤维（羊毛、棉花等），而洗涤的过程会导致衣物产生微小的磨损，从而导致聚酯纤维、尼龙纤维等形成微塑料颗粒，再由地表水或地下水排放到环境中。因此，这些材料的使用在一定程度上促进了微塑料污染。
目前有很多研究旨在通过提高污水过滤效率以及清除环境中的微塑料来减轻这种污染，在这里作者另辟蹊径，试图通过SRT蛋白制成的涂层材料减轻衣物洗涤过程中产生的磨损，从而在源头上缓解微塑料污染。经测试，涂有SRT涂层的超细纤维布在磨损测试中表现优异（如下图）。
图5 | 用于纺织品制造的耐磨SRT蛋白质图层
在后续研究中，该团队对SRT基材料（SRT-based materials）的光学特性等性质进行了分析，并探讨了SRT材料应用于可修复涂层、具有环境检测功能的“智能”服装、柔性光学组件等领域的前景。 总的来说，SRT基材料的环境可持续性以及其他的诸多优良性质，使其有望得到更广泛的应用。而合成材料学手段的使用 ，大幅降低了其生产成本，从而极大的促进了其应用前景。SRT蛋白的生物合成，很好的体现了合成生物学与材料学相辅相成的关系，未来期待合成材料学家能给我们带来更多的惊喜。
END
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