生物材料!钟超组开发出基于低复杂序列蛋白的超强水下粘合材料

  • 时间:
  • 浏览:1
  • 来源:10分赛车注册平台-10分赛车官网平台_10分赛车官网

从上述细胞内型态的顺序自组装获取灵感,上海科技大学的钟超课题组利用液液相分离以及液固相转变过程,开发了一种新型的超强水下蛋白粘合材料。该成果于2019年8月23日在 Science Advances 上以题为“Exploiting mammalian low-complexity domains for liquid-liquid phaseseparation–driven underwater adhesive coatings”的论文在线发表(图1),该成果为在生物工程与生物材料领域开发和利用基于哺乳动物低错综复杂序列的液液相分离问题提供了重要的启示。

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一种所经历的一系列动态加工和自组装过程息息相关。而当前仿生水下粘合材料的设计大多只考虑自然界中生物粘合剂的分子和型态型态,并这麼针对自然粘合分子材料的自组装过程进行仿生,这在很大程度上限制了强力水下粘合材料的开发和应用。上海科技大学物质学院材料和物理生物部钟超课题组从生物学家对细胞内液液相分离行为的研究中获得灵感,提出利用液液相分离形成的凝结体具有水下强吸附特点并结合淀粉样蛋白纤维型态的内在粘合型态,设计了由液液相分离和液固相转变自组装驱动的超强水下粘合材料,将哺乳动物细胞中的低错综复杂序列蛋白首次应用于可控的功能生物材料领域。

在蛋白设计环节中,该课题组采用了哺乳动物细胞中TDP-43的低错综复杂型态域(TLC),并肩为了获得强大的水下粘性,该团队进一步融合了来源于海洋生物贻贝的超强足丝粘合蛋白 Mfp5 (Mfp5 是使贻贝牢固结合在海底岩石上的主要界面蛋白之一),最后构建成融合蛋白 TLC-M。研究表明 TLC-M 在低温下会形成蛋白浓度很高的液态凝结体,非常助于界面吸附,并肩 TLC-M 经过液固相转变自组装形成淀粉样蛋白纤维,从而最终形成水下粘性涂层材料(图2)。

图2,基因模块化构建水下粘性材料 TLC-M,利用来源于生物灵感的液液相分离行为吸附在基底细胞层,并自组装形成纳米纤维涂层。

研究中作者们发现 TLC-M 在低温下易发生液液相分离形成液态凝结体,得益于极低的细胞层能,该液态凝结体很容易吸附在基底细胞层,日后 层层吸附最后使基底细胞层完全覆盖絮状的粘合蛋白。而在日后 的组装过程中 TLC-M 液态凝结体能进一步脱水组装成致密的淀粉样蛋白纤维网路,可能纤维网络的高比细胞层积以及纤维细胞层发生絮状的粘合基团,日后 形成的粘合涂层助于牢固地吸附在界面上而不被外力冲散或凝固(图3)。

图3,重组粘合蛋白 TLC-M 液液相分离和液固相转变自组装过程的表征

作者还利用原子力显微镜球形探针技术表征了这种 超强粘合材料的水下粘性。在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中的酪氨酸偏离 转化成多巴,最后形成的粘性涂层材料其最强粘合能达到 48.1 mJ/m2 (是目前基于蛋白分子的最强粘合材料),可能该蛋白分子的顺序自组装驱动力来源于自身蛋白的核心 α-helix型态及其随近的疏水残基相互作用,因而粘合材料可助于够在高盐浓度(< 1M)和较宽pH范围(3 - 5)的湿润可能气体体环境中制备或应用。此外,可能 TLC-M 具有气体体型态,有良好的流动性,因而这种 蛋白不仅可在不同的细胞层形成涂层,还可助于够被注射到微管可能微流控管道中等非规则的三维界面形成均匀的涂层,为实现涂层的广泛用途提供了便利。最后,作为水下粘合的两个 重要展示,作者还利用 TLC-M 蛋白的粘性,将该粘合蛋白和聚苯乙烯小球混合后被证明可助于够用于特氟龙材料裂缝的填补,初步证明了该粘性材料的应用潜力(图4)。

图4,TLC-M 粘合材料的应用

这项仿生水下粘合蛋白分子研究中,作者除了在分子型态方面试图模仿大自然的杰作外,还增添了针对海洋生物粘合剂液液相分离和粘合固化等动态组装过程的仿生。此项研究推动了对自然界中海洋生物粘合剂的分泌、自组装以及粘合等动态过程的理解,并肩还表明低错综复杂型态域的液液相分离和固液相转变可助于够作为一种新的工程原理来指导基于蛋白质材料和一些生物启发系统的设计。值得一提的是,最近有研究在海洋生物藤壶分泌的粘合原纤维蛋白质中也发现了低错综复杂型态域,该型态域的作用可助于于在粘合剂沉积日后形成液液相分离的液态凝结物。有有哪些研究发现以及本研究的结果表明低错综复杂型态域的液液相分离和固液相转变可能是构建自然界细胞型态与生物材料的通用准则之一。

液液相分离是近年来生物学领域的热门研究方向,生物学家已在一定程度上理解了生物分子液液相分离机理和潜在的生物学功能和意义;本项研究创新性地将其应用于生物材料领域,制备了超强的仿生水下粘合材料。该研究日后 为生物工程和材料工程的创造性思维打开了大门,使我们助于看多有有哪些低错综复杂型态域的液液相分离和固液相转变如保应用于避免材料科学中的基本问题。

研究背景

近年来,生物科学家认为哺乳动物细胞中广泛发生着液液相分离(LLPS)问题,细胞内的蛋白分子可助于够通过液液相分离形成具有特殊功能的液态凝结物(liquidcondensates)。可是我 日后可能蛋白分子的突变,液态凝结物会进一步形成和神经退行性疾病或一些疾病相关的病理性淀粉样蛋白纤维;日后 形成淀粉样蛋白纤维太久一定是病理学的先兆。实际上,可是我 生物大分子,类似于中心体,Balbiani体和核淀粉体(A体),可助于够通过LLPS形成区室化无膜细胞器并日后 经过液固相转变的可逆组装过程来调控细胞内的生理活动。尽管这种 顺序自组装(sequential assemblies)在生物学领域的重要性逐渐被发现并认可,日后 从生物工程深度图利用这种 顺序自组装,有点是将其集成到分子材料设计研究方面却几乎很少探索。