物質學院鐘超課題組利用細菌結構淀粉樣蛋白開發出功能多樣的蛋白圖案化材料

ON2019-09-23CATEGORY科研進展

我校物質學院材料與物理生物研究部鐘超課題組利用細菌生物被膜淀粉樣蛋白的魯棒性和可基因編程的特征,開發出了新一代的多功能蛋白材料圖案化布陣技術。近日,該成果在國際知名學術期刊《Nano Letters》以“Patterned Amyloid Materials Integrating Robustness and Genetically Programmable Functionality”為題在線發表。

利用蛋白質分子作為基本構筑材料、通過理性設計和微納加工制備出的圖案化結構或材料,已被證明在生物光子、生物電子、生物傳感、生物醫學和組織工程等諸多領域有重要應用。然而現有蛋白圖案化材料的應用卻往往受限于其在惡劣環境下的不耐受性,同時當前圖案化蛋白材料的應用尚未充分利用其功能可被基因工程編程的特點。在自然界中,細菌生物被膜能在惡劣環境下實現界面粘附并維系自身必要的生長。以大腸桿菌生物被膜為例,當細菌以生物被膜的形式存在時,細菌的極端環境耐受性要大大增強,而在其中起著至關重要的是一種CsgA納米纖維(圖1)。CsgA納米纖維由CsgA單體蛋白自組裝而成,它富含β-折疊結構,是一種典型的淀粉樣蛋白,具備極強的環境耐受性(例如可以耐高低溫、酸堿溶液、有機溶劑以及一定的機械摩擦)。此外,利用基因工程可以實現CsgA單體蛋白的功能化修飾,即功能化的短肽和蛋白功能域能夠融合在CsgA單體蛋白上,同時融合的蛋白在保持原有功能的基礎上又不影響CsgA蛋白本身自組裝形成納米纖維的能力?;谶@些特點,鐘超課題組提出利用CsgA納米纖維作為基本構筑單元,構建新一代的兼具耐受和功能可調節的圖案化蛋白材料。

在課題初期階段的嘗試中,研究人員發現CsgA納米纖維的極強環境穩定性導致其不能完全溶于水,從而很難利用水溶液體系加工出高精度的圖案化結構。為解決上述難題,課題組巧妙地利用了六氟異丙醇 (HFIP) 作為極性溶劑對其進行溶解,并將富含蛋白單體的HFIP溶液作為墨水,利用軟刻蝕進行圖案化加工,再結合甲醇進行蛋白的原位復性,最后得到結構穩定的蛋白圖案。在具體實驗中,研究人員首先利用軟刻蝕方法加工出了基于CsgA納米纖維的蜘蛛網圖案,并表征了圖案化結構具備著從原子級別到厘米級別的多級有序性(圖2)。其次,以平行線陣列為代表性圖案化結構,研究人員利用原子力顯微鏡等技術證實了CsgA納米纖維圖案在一系列的穩定性測試中展現出極強的化學、熱和機械耐受性。

此外,研究人員利用類似的軟刻蝕技術設計并加工了基于基因工程改造的功能化CsgA納米纖維圖案,實驗證實最后所得圖案化材料在經過一系列加工步驟后,其短肽和蛋白功能域的功能都得以保留?;谶@樣的特點,蛋白圖案被賦予特定的功能,從而獲得了若干的特殊應用。

本研究特別設計了基于CsgAHistag圖案的量子點錨定,基于CsgASpyTag和CsgASnoopTag圖案的熒光蛋白修飾以及基于CsgACBD和甲殼素纖維的分子復合結構,并將最后所得的圖案化材料相應地應用在場效應晶體管、熒光蛋白陣列以及可用于三維哺乳細胞培養的自支撐多孔網絡支架材料(圖3)。

這項基于超穩定淀粉樣蛋白的圖案化加工技術可推動生物納米、生物材料、生物制造等多領域的創新。事實上,隨著生物技術的發展,理論上各種功能基團都能夠被展示在CsgA納米纖維圖案上,因此,這些具有可基因編程特征的圖案化材料有望在光學、電子學、組織工程、生物醫藥等多領域中找到相應的應用。

本文第一作者為上科大物質學院2015級博士生李穎風,2017級博士生李柯為共同第一作者,通訊作者為上科大物質學院材料和物理生物學研究部鐘超研究員,上科大為第一完成單位。課題在開展過程中,得到了香港城市大學王鉆開教授、華東師范大學葉海峰教授及其課題組成員的幫助。上科大物質學院分析測試平臺和電鏡中心為材料表征給予了大力支持。該研究得到了上海市科委基金、上海市教委曙光計劃及國家自然科學基金委的支持。

文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02324

圖1 圖案化淀粉樣蛋白材料的加工過程

圖2 CsgA納米纖維多級多尺度蜘蛛網圖案

圖3 仿生自支撐圖案化結構用于細胞培養