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生物科学家近年来发现哺乳动物细胞中广泛存在着液液相分离（LLPS）现象，细胞内的蛋白分子可以通过液液相分离形成具有特殊功能的液态凝结物（liquid condensates），在某些突变或应激条件下，液态凝结物会进一步形成和神经退行性疾病或其他疾病相关的病理性淀粉样蛋白纤维。然而越来越多的研究表明很多细胞内部结构以及自然界中生物材料的形成和这种顺序自组装（sequential assemblies）息息相关。例如很多生物大分子（中心体，Balbiani 体和核淀粉体（A 体）等），可以通过 LLPS 形成区室化无膜细胞器并随后经过液固相可逆转变来调控细胞内的生理活动。而海洋生物的粘合体系通常也依赖这种顺序自组装实现水下粘合功能，例如贻贝，藤壶和沙堡蠕虫等分泌的粘合分子，最初具有液液相分离特性，随后粘合分子固化或交联从而实现有效粘合。尽管在自然界已发现不少顺序自组装的例子，但是从生物工程角度利用这种顺序自组装的研究却很少。图1，课题组的仿生粘合材料研究发表在Science Advances 上在前期利用基因模块化成功构建基于淀粉样蛋白纤维水下粘合材料（Nature Nano. 2014，9，858–866）的基础上，上海科技大学物质学院钟超研究员领导的团队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液态凝结体具有水下强吸附特点，并结合淀粉样蛋白纤维结构的内在粘合特征，设计了由液液相分离到液固相转变的顺序自组装驱动的超强水下粘合材料，将哺乳动物细胞中的低复杂序列蛋白首次应用于可控的功能生物材料领域。近日，相关研究成果发表在 Science 子刊 Science Advances 上。研究人员采用了哺乳动物细胞中TDP-43的低复杂结构域（TLC），同时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 （含有大量多巴残基的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 在低温下会形成高蛋白浓度的液态凝结体，非常利于在水下基底表面吸附，同时 TLC-M 经过液固相转变能进一步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表面，并自组装形成纳米纤维涂层基于基因模块化设计的 TLC-M 保留了 TLC 蛋白在低温下发生液液相分离的特性，形成的液态凝结体具有极低的表面能，很容易吸附在水下基底的表面，并且层层吸附使基底表面完全覆盖大量的粘合蛋白。同时TLC-M 保留了 TLC 蛋白的自组装形成淀粉样蛋白纤维的特性，即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络，牢固地吸附在界面上而不被外力冲散或溶解（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TLC-M 淀粉样蛋白纤维具有极高的比表面积并且纤维表面存在大量的粘合基团，因此形成的涂层材料具有超强的水下粘性。研究人员利用原子力显微镜球形探针技术表征涂层材料的水下粘性，表明在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中的酪氨酸部分转化成多巴，最终形成的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水下粘合材料。鉴于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 结构及其周围的疏水残基相互作用，因而粘合材料可以在高盐浓度（≤ 1M）和较宽pH范围（3 - 11）的湿润或者液体环境中制备或应用（图4）。除此之外，TLC-M 液液相分离形成的液态凝结体具有良好的流动性，因而这种蛋白不仅可在不同的表面形成涂层，还可以被注射到微管或者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。作为水下粘合的一个重要展示，研究人员还将 TLC-M 粘合蛋白和聚苯乙烯小球混合后，利用仿生的液液相分离和固液相转变过程，应用于特氟龙材料微裂缝的填补，初步证明了该粘性材料的应用潜力（图5）。图4，利用球形探针原子力显微镜技术表征重组粘合蛋白 TLC-M 的界面粘性 ![]()
图5，TLC-M 粘合材料的应用上海科技大学钟超研究员领导的整合生物灵感分子工程研究团队发展了一种基于哺乳动物低复杂序列蛋白的粘合蛋白，该粘合材料结合了液液相分离和液固相转变的顺序自组装过程，模拟了自然界中海洋生物粘合剂的分泌与固化过程，实现了超强的水下粘合性能。此项研究推动了对自然界中海洋生物粘合剂的分泌、自组装以及固化等动态过程的理解，同时还表明低复杂结构域的液液相分离和固液相转变可以作为一种新的工程方法来指导基于蛋白质材料和其他生物启发系统的设计。总之，该新颖的仿生材料制备策略为生物工程和材料工程的创造性研究打开了大门，给大家展示了如何将自然界广泛存在的低复杂序列蛋白结构应用于解决材料科学中的基本问题。本文第一作者为上科大物质学院 2016 级博士生崔孟奎，通讯作者为上科大物质学院材料和物理生物部钟超研究员，上科大为第一完成单位。课题在开展过程中，得到了中科院上海有机所生物化学交叉中心刘聪教授，吉林大学张俊虎教授及其课题组成员的帮助。论文宣传图由上科大创艺学院的Julie Liu 设计并绘制。上科大物质学院分析测试平台，电镜中心，中科院上海有机化学研究所生物交叉中心为材料表征给予了大力支持。与本论文相关的工作已申请国际专利（PCT/CN2018/101219)。最后，该研究得到了国家自然科学基金面上项目（项目编号：31570972）、青岛海洋科学与技术国家实验室 2016 年度开放基金（项目编号：QNLM2016ORP0403），中组部青年千人计划以及上科大科研启动基金的支持。https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaax3155
导师介绍：
http://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2356a17070/page.htm
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来源：国际仿生工程学会
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