基于硫醇与二硫键交换反应的超大蛋白质纳米薄膜的合成及应用

来源：X一MOL资讯

原标题：陕师大杨鹏教授Angew. Chem.：基于硫醇与二硫键交换反应的超大蛋白质纳米薄膜的合成及应用

薄膜在表界面改性、生物材料、包装、分离及能源环境等领域具有重要的作用。传统的合成聚合物薄膜存在原料有限以及白色污染等问题。因此，发展基于生物大分子的可再生天然高分子薄膜，尤其是具有良好生物相容性的生物基薄膜显得尤为重要。然而，现有的合成方案存在如下局限：（1）往往依赖于高能耗和复杂设备的真空过滤技术，且薄膜面积、结构和形态受到限制；（2）经常需要有毒试剂和极端条件（如高温和强酸）；（3）难以精细的控制超大蛋白质薄膜的生物功能以及结构，尤其难以兼顾简便、低成本、绿色和规模化的制备以及进一步的功能扩展，例如功能性大分子（如蛋白质）的可控封装和释放。

针对上述问题，陕西师范大学杨鹏教授团队利用半胱氨酸（cysteine）与特定蛋白质进行硫醇-二硫键交换反应（示意图），打断蛋白质部分二硫键，进一步引发蛋白质的部分解折叠并在界面聚集，形成了超大二维蛋白质纳米薄膜（例如900 cm2）或涂层。

图1. 基于硫醇与二硫键交换反应的蛋白质纳米薄膜的合成示意图

该工作发现半胱氨酸与天然溶菌酶的二硫键发生了硫醇-二硫键交换反应，并接枝到了溶菌酶的巯基上。有意思的是，该反应只能打断溶菌酶中远离活性口袋的二硫键（Cys6-Cys127），因此，虽然溶菌酶发生了部分解折叠并聚集成膜，但其自身的生物活性得到了较好的保持 （图2）。为了揭示该过程的分子机制，该工作进一步通过分子动力学模拟，分别计算了二硫键二面角和氧化还原电势的大小，结果发现只有二硫键氧化还原电势高于半胱氨酸的氧化还原电势（E=-160 mV）时才能被还原（图3），而溶菌酶中只有Cys6-Cys127二硫键的氧化还原电势高于-160 mV，这与实验结果相吻合。

图2. 基于溶菌酶与半胱氨酸之间的巯基-二硫键交换反应引发溶菌酶的部分展开和聚集

图3 半胱氨酸与蛋白质反应的化学选择性分析

该蛋白质薄膜具有无色、透明、无毒、可大面积制备等优点，并且可以通过改变浓度、时间来调控薄膜的厚度。通过对蛋白质薄膜进行圆二色谱、红外、ThT荧光染色、刚果红染色等表征发现蛋白质薄膜具有类淀粉样蛋白质聚集结构，并且具有较强的粘附性及稳定性，可耐酸、耐碱、耐有机溶剂以及3M胶带撕拉。

基于半胱氨酸对于蛋白质的选择性反应，该薄膜不仅可用于高密度包封中小分子，且可用于高密度固定活性蛋白质，并不会造成所固定蛋白质的明显失活。纳米膜的孔径分布约为2 nm，通过控制交联程度可以有效调控孔径的大小，从而按需释放活性小/中/大分子。因此，基于蛋白质薄膜的有效包封和可控释放活性分子为后期应用奠定了基础（图4，图5）。

图4. 蛋白质纳米薄膜所包封分子的活性测试

图5. 功能分子从蛋白质纳米薄膜内的可控释放

这一成果发表在国际期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上，并申请了中国发明专利及国际专利。共同第一作者为硕士研究生徐妍和师资博士后刘永春，通讯作者为陕西师范大学杨鹏教授，陕西师范大学为唯一署名单位。该课题得到了国家自然科学基金委 (no. 21875132, 51673112) 等项目的资助。