近日，祥符实验室与清华大学团队合作在超黏附稀土蛋白胶水和高性能蛋白纤维研发方面取得了系列研究进展。
合成生物学的快速发展极大推进了低成本高性能蛋白材料的转化应用进程，稀土结构蛋白因其稀土元素引导氨基酸序列折叠及多级结构组装所形成的高力学特性、形态可塑性以及动态调控性等材料特性而广受关注。因此，发展稀土化学与生物交叉技术创建稀土微生物合成系统实现高端稀土生物材料应用开发，在医学诊疗、紧急救治及特种装备等领域具有十分迫切的需求。
1、通过模块化设计构建了可结合稀土离子的黏附蛋白模型，项目组通过不同粘附模块的组合成功研制了一类稀土离子诱导增强的、可耐受潮湿环境和极端温度的超强蛋白粘合剂。这一成果近日发表在了德国化学会旗舰刊Angew. Chem. Int. Ed.(2023, e202304483)。
通过模块化设计构建了可结合稀土离子的黏附蛋白模型，通过不同粘附模块的组合成功研制了一类稀土离子诱导增强的、可耐受潮湿环境和极端温度的超强蛋白粘合剂。通过优化底盘细胞密码子提升了多氨基结构蛋白分子生物合成适配性和鲁棒性，表达量高达10g/L，并完成了百升级规模合成放大。同时该类型稀土蛋白胶最高粘合强度可达32MPa，优于目前使用的其他聚合物或超分子基粘合剂。同时，稀土增强型蛋白粘合剂在极端温度（-196和200°C）与高湿环境下能够稳定保持粘合强度，可以显著拓宽稀土增强型蛋白粘合剂的极端环境应用场景。尤其是该新型稀土增强型蛋白胶在生物软组织上具有优异的粘合性能和良好的生物安全性，实现了兔模型肾下腹主动脉、下腔静脉、肾脏和肝脏的5秒内封堵止血以及良好的伤口动态修复效果。因此，稀土增强型蛋白粘合剂在救治及伤口修复领域具有很强的转化价值。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202304483
2、项目组进一步发展模块化组装技术成功构建了生长因子嵌合类蛋白胶，在各种亲疏水表面和复杂不规则组织表界面展现出出色的粘附、止血和促进细胞再生能力，尤其是生长因子嵌合体赋予了粘合剂独特的生理学功能。以全层皮肤伤口的大鼠为研究模型，该生物胶加速促进了细胞增殖和迁移，实现了皮肤原位再生能力。这种具有快速粘附-愈合联合疗法的生物粘合剂为创伤修复转化应用开辟了新的技术途径。该成果近期发表在中国工程院院刊Engineering（2023, DOI: 10.1016/j.eng.2023.07.013)。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809923003818?via%3Dihub
3、项目组通过合成生物学和化学组装调控相结合，建立了结构蛋白动态化学键引导纤维成型策略，以人工设计合成的多氨基无序结构蛋白为模型，发展了动态亚胺键纤维化学制备技术，创建了高抗逆性和形态制动性的特种蛋白纤维，在极端环境下表现出优异的力学稳定性和抗逆能力，并可快速实现蛋白纤维力学自恢复性和刺激往复伸展-收缩制动性。该策略通过操纵氨基酸序列和在蛋白链之间引入动态亚胺键，为推进高性能生物纤维在特种装备应用提供了全新的技术支撑。相关成果近期发表在Nature子刊Nat. Commun.(2023, 14, 5348)。
在该体系中，加入微量戊二醛引导无序结构蛋白域内形成动态亚胺键合系统，可有效阻止蛋白内部低冰晶的接近或形成，避免应力集中和开裂，从而在-198ºC极寒温度下保持蛋白力学稳定性。同时，蛋白亚胺交联网络在100到150ºC的范围内可以维持蛋白结构稳定性，从而表现出耐高温特性。不同酸性环境引导蛋白内部动态亚胺键的断裂和重组使其具有力学快速恢复性。此外，结构蛋白动态化学键系统内部的水合不均匀性和熵增特性，使其具有多模式形态制动能力。以破口的琼脂凝胶或猪肉组织为模型，证明了该蛋白键合网络对肌肉动态修复和疲劳调节具有潜在的应用价值。与传统蛋白纤维较差的环境适应性相比，所构建蛋白纤维内亚胺键的可逆解离和重组特性使得该蛋白纤维具有优异的抗逆性、耐疲劳性、力学自修复性和形态可调性。同时，蛋白纤维出色的力学性能和低细胞毒性使其具有潜在的生物医学应用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41084-1
4、基于祥符实验室与清华大学团队在高性能蛋白材料领域的贡献，美国化学会旗舰刊Accounts of Chemical Research邀请项目组撰写并发表了前瞻性论文(Acc. Chem. Res., 2023, DOI: 10.1021/acs.accounts.3c00372)。文章系统阐明了结构蛋白序列设计和模块化组装策略，讨论了人工结构蛋白微观结构特征与材料宏观性能之间的构效关系，尤其如何发挥稀土结构蛋白的组装结构和性能调控能力进行了论述；此外，针对蛋白材料的低成本大规模制备和应用转化进行了展望。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.accounts.3c00372
本系列工作由清华大学化学系刘凯教授、张洪杰院士团队与祥符实验室共同完成。