Sci Adv亮點丨從蛋白相分離中獲得啟示

Sci Adv亮點丨從蛋白相分離中獲得啟示，鐘超組開發(fā)出基于哺乳動物低復雜序列蛋白的超強水下粘合材料
 
本文轉載自Bio Art, 責編丨酶美  改編經文章作者同意

近年來，生物科學家認為哺乳動物細胞中廣泛存在著液液相分離（LLPS）現象，細胞內的蛋白分子可以通過液液相分離形成具有特殊功能的液態(tài)凝結物（liquidcondensates）【1-3】。很多時候因為蛋白分子的突變，液態(tài)凝結物會進一步形成和神經退行性疾病或其他疾病相關的病理性淀粉樣蛋白纖維；但是形成淀粉樣蛋白纖維并不一定是病理學的先兆【4】。實際上，很多生物大分子，例如中心體【5】，Balbiani體【6】和核淀粉體（A體）【7】，可以通過LLPS形成區(qū)室化無膜細胞器并隨后經過液固相轉變的可逆組裝過程來調控細胞內的生理活動。盡管這種順序自組裝（sequential assemblies）在生物學領域的重要性逐漸被發(fā)現并認可，但是從生物工程角度利用這種順序自組裝，特別是將其集成到分子材料設計研究方面卻幾乎很少探索。從上述細胞內結構的順序自組裝獲取靈感，上�？萍即髮W的鐘超課題組利用液液相分離以及液固相轉變過程，開發(fā)了一種新型的超強水下蛋白粘合材料。該成果于2019年8月23日在 Science Advances 上以題為“Exploiting mammalian low-complexity domains for liquid-liquid phaseseparation–driven underwater adhesive coatings”的論文在線發(fā)表（圖1），該成果為在生物工程和生物材料領域開發(fā)和利用基于哺乳動物低復雜序列的液液相分離現象提供了重要的啟示。
    
 
海洋生物分泌的粘合分子材料其水下粘合性能往往和粘合分子本身所經歷的一系列動態(tài)加工和自組裝過程息息相關。而當前仿生水下粘合材料的設計大多只考慮自然界中生物粘合劑的分子和結構特征，并沒有針對自然粘合分子材料的自組裝過程進行仿生，這在很大程度上限制了強力水下粘合材料的開發(fā)和應用。上海科技大學物質學院材料和物理生物部鐘超課題組從生物學家對細胞內液液相分離行為的研究中獲得靈感，提出利用液液相分離形成的凝結體具有水下強吸附特點并結合淀粉樣蛋白纖維結構的內在粘合特征，設計了由液液相分離和液固相轉變自組裝驅動的超強水下粘合材料，將哺乳動物細胞中的低復雜序列蛋白【8】首次應用于可控的功能生物材料領域。
在蛋白設計環(huán)節(jié)中，該課題組采用了哺乳動物細胞中TDP-43的低復雜結構域（TLC），同時為了獲得強大的水下粘性，該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（Mfp5 是使貽貝牢固結合在海底巖石上的主要界面蛋白之一），最后構建成融合蛋白 TLC-M。研究表明 TLC-M 在低溫下會形成蛋白濃度很高的液態(tài)凝結體，非常利于界面吸附，同時 TLC-M 經過液固相轉變自組裝形成淀粉樣蛋白纖維，從而最終形成水下粘性涂層材料（圖2）。
圖2，基因模塊化構建水下粘性材料 TLC-M，利用來源于生物靈感的液液相分離行為吸附在基底表面，并自組裝形成納米纖維涂層。
 
研究中作者們發(fā)現 TLC-M 在低溫下易發(fā)生液液相分離形成液態(tài)凝結體，得益于極低的表面能，該液態(tài)凝結體很容易吸附在基底表面，并且層層吸附最后使基底表面完全覆蓋大量的粘合蛋白。而在隨后的組裝過程中 TLC-M 液態(tài)凝結體能進一步脫水組裝成致密的淀粉樣蛋白纖維網路，因為纖維網絡的高比表面積以及纖維表面存在大量的粘合基團，因此形成的粘合涂層能夠牢固地吸附在界面上而不被外力沖散或溶解（圖3）。圖3，重組粘合蛋白 TLC-M 液液相分離和液固相轉變自組裝過程的表征作者還利用原子力顯微鏡球形探針技術表征了這種超強粘合材料的水下粘性。在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中的酪氨酸部分轉化成多巴，最后形成的粘性涂層材料其最強粘合能達到 48.1 mJ/m2 （是目前基于蛋白分子的最強粘合材料），由于該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，因而粘合材料可以在高鹽濃度（< 1M）和較寬pH范圍（3 - 5）的濕潤或者液體環(huán)境中制備或應用。作者還使用了QSense Pro石英晶體微天平儀器，對1 mg/mL的TLC-M 溶液分別在4°C和25°C背景溫度下，在金芯片表面的吸附量進行了研究對比（Fig G, top）。并采用ΔD/ΔF曲線作圖（Fig G, bottom），研究吸附物質的軟硬程度：高的ΔD/ΔF意味著表面吸附了一層較為柔性的材料，低ΔD/ΔF說明表面吸附結構更趨于剛性。此外，由于 TLC-M 具有液體特征，有良好的流動性，因而這種蛋白不僅可在不同的表面形成涂層，還可以被注射到微管或者微流控管道中等非規(guī)則的三維界面形成均勻的涂層，為實現涂層的廣泛用途提供了便利。最后，作為水下粘合的一個重要展示，作者還利用 TLC-M 蛋白的粘性，將該粘合蛋白和聚苯乙烯小球混合后被證明可以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4）。圖4，TLC-M 粘合材料的應用這項仿生水下粘合蛋白分子研究中，作者除了在分子結構方面試圖模仿大自然的杰作外，還增添了針對海洋生物粘合劑液液相分離和粘合固化等動態(tài)組裝過程的仿生。此項研究推動了對自然界中海洋生物粘合劑的分泌、自組裝以及粘合等動態(tài)過程的理解，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(fā)系統(tǒng)的設計。值得一提的是，最近有研究在海洋生物藤壺分泌的粘合原纖維蛋白質中也發(fā)現了低復雜結構域，該結構域的作用可能有助于在粘合劑沉積之前形成液液相分離的液態(tài)凝結物【9】。這些研究發(fā)現以及本研究的結果表明低復雜結構域的液液相分離和固液相轉變可能是構建自然界細胞結構和生物材料的通用準則之一。液液相分離是近年來生物學領域的熱門研究方向，生物學家已在一定程度上理解了生物分子液液相分離機理和潛在的生物學功能和意義；本項研究創(chuàng)新性地將其應用于生物材料領域，制備了超強的仿生水下粘合材料。該研究因此為生物工程和材料工程的創(chuàng)造性思維打開了大門，使大家能夠看到這些低復雜結構域的液液相分離和固液相轉變如何應用于解決材料科學中的基本問題。據悉，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部鐘超研究員。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。電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征分別獲得上科大物質學院電鏡中心和分析測試平臺的幫助。與本論文相關的工作已申請國際專利（PCT/CN2018/101219）。
 
原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/advances/5/8/eaax3155.full.pdf
 
制版人：小嫻子
 
參考文獻


 

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