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江南大学吴俊俊教授、陈坚院士/周景文教授 Adv. Mater.: 超分子多功能纳米材料的肽自组装机制

时间：2023-11-27 来源： 浏览：

江南大学吴俊俊教授、陈坚院士/周景文教授 Adv. Mater.: 超分子多功能纳米材料的肽自组装机制

江南大学 化学与材料科学
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蛋白多肽，是生物体内至关重要的组成部分，它在各种生命活动中起着至关重要的作用，具有抗衰老、抗氧化、抗过敏、抗微生物、抗血栓及促进细胞活性等营养和生物学功能。蛋白多肽还可以自组装成纳米粒子，参与到生物检测、药物递送、组织工程中，具有广阔的应用前景，因而受到科研界广泛关注。
近日， 江南大学生物工程学院吴俊俊教授团队 联合陈 坚院士团队周景文教授课题组 的研究工作以“ A General and Convenient Peptide Self-Assembling Mechanism for Developing Supramolecular Versatile Nanomaterials Based on The Biosynthetic Hybrid Amyloid-Resilin Protein ”为题在  Advanced Materials 上发表。 论文第一作者/共同通讯作者为 吴俊俊 教授， 周景文 教授和 陈坚 院士为论文的共同通讯作者。
目前，国内重组蛋白市场巨大，仅重组胶原蛋白市场规模在2022年就已增至185亿元。 但多数生物活性蛋白如胶原蛋白需要形成稳定的超分子结构才能有着较好的生物活性，目前国内外主要以生产胶原蛋白片段为主，结构、活性完整的功能蛋白生产仍然是业内难题。
从动物组织直接提取功能蛋白面临成分复杂、单体分离较难、提取工艺复杂、成本昂贵、批次质量不稳定、蛋白难以溶解等难题，并且存在携带病毒、病原体等安全隐患。 因此， 通过构建绿色、高效的微生物细胞工厂定制特定功能的重组蛋白来替代动物提取势在必行 。
吴俊俊教授介绍，该研究通过将合成生物学与计算生物信息学、超分子化学、纳米技术进行多学科交叉融合， 首次创造出超强细胞修复蛋白 - 超分子弹性蛋白 ，效果优于目前所有商业化重组蛋白。
这是目前 唯一的一款同时具有大分子透明质酸、胶原蛋白、弹性蛋白、贻贝蛋白等诸多明星分子特性的新型功能蛋白 。 该蛋白同时具有活性位点外露的超分子结构（有利于蛋白活性的发挥）、强大保水特性、低分子量易吸收（保水特性好于目前的大分子透明质酸，仅仅1%的浓度即可形成水凝胶，但分子量小（几百万道尔顿 vs 几万道尔顿））、具备强效水下黏附特性（黏附效果优于贻贝蛋白，有利于蛋白持续发挥作用）、促进细胞粘附、增殖和分化、促进细胞损伤修复(修复效果优于目前的三型胶原蛋白和层粘黏蛋白）等优良特性，因而 具有超强的细胞修复能力，在营养健康、护肤美容、医疗器械、生物止血、医美上有着重要应用前景 。
图1  研发的超分子自组装机制可使得任意重组蛋白均可形成具有超分子结构的纳米纤维，进而形成超分子水凝胶，并且不同重组蛋白能以不同比例形成混合水凝胶。
如何获得具有稳定超分子结构的功能蛋白一直为业界难题，当前多数功能蛋白如胶原蛋白或贻贝蛋白均需要通过酶学修饰获得理想结构，不仅存在着成本高、效率低等问题，上述共价修饰还易导致蛋白活性位点发生变化进而影响其功能；本研究发现 将超分子自组装机制与弹性蛋白相结合 ，创造出的超分子弹性蛋白 只需要通过静置即可获得稳定的超螺旋结构 ，并且本研究的超螺旋结构是由超分子力自组装而成，不仅 不会改变蛋白活性，还会赋予超分子蛋白结构稳定以及活性提高等特性 。
图2 本文研发的超分子弹性蛋白具有稳定的超分子结构（A），通过计算模拟发现蛋白功能活性中心最大程度的暴露在纳米纤维外围，由此不仅增加蛋白稳定性，还提高其活性。
图3 超分子弹性蛋白遇水即粘，在1%浓度时即可形成可注射式超分子水凝胶，水凝胶在水下依旧具有粘附性。本论文的水凝胶形成无需任何额外预处理手段，只需要将蛋白溶解静置即可获得，可以最大程度保持蛋白活性。
超分子弹性蛋白水凝胶具有极强的细胞黏附特性，将其涂抹于任何物体表面即可使得该物体成为优良的细胞培养材料， 可以用于培养肌肉干细胞，促进细胞黏附和增殖，还可以促进干细胞分化，实现细胞三维培养 。研究显示，超分子水凝胶 促进圆形伤口的组织再生 ，仅仅第三天即可恢复62.5%的皮肤组织。超分子弹性蛋白还可替代手术缝合线 促进线性伤口的修复和组织再生 。
图4  超分子弹性蛋白可作为强效、快速生物止血剂。A: 1 mg的超分子弹性蛋白可以轻松粘附起大鼠的各个器官；B: 10 mg的弹性蛋白可以粘附猪皮，强度约为1 MPa；C: 超分子弹性蛋白具有快速止血功能，仅10 mg蛋白即可完全止血大鼠肝脏；D: 10 mg的超分子弹性蛋白遇血后可粘附起500g的砝码；E: 超分子弹性蛋白可以作为双眼皮贴。
图5  超分子弹性蛋白水凝胶具有极强的细胞粘附特性。将其涂抹于任何物体表面即可使得该物体成为优良的细胞培养材料，可以用于培养肌肉干细胞，促进细胞粘附、增殖、分化及三维培养。
图6 超分子水凝胶促进圆形伤口的组织再生，第三天即可恢复62.5%的皮肤组织。
图7  超分子弹性蛋白可替代手术缝合线促进线性伤口的修复和组织再生。
吴俊俊教授表示，当前透明质酸、胶原蛋白、贻贝蛋白、聚谷氨酸等明星分子都是国外人员首次发现并加入应用，该科研团队的这款国产超分子弹性蛋白独有的细胞修复特性，未来可以应用于高端护肤品牌，较低的分子量可以实现直接被皮肤吸收；还可以应用到医疗器械做伤口敷料，促进恢复速度；作为纯蛋白，超分子弹性蛋白黏性极强，作为生物止血材料不需要二次剥离，即可直接实现营养吸收；在医美行业领域，超分子弹性蛋白可以形成可注射凝胶，促进细胞修复。
未来，超分子弹性蛋白能够以其具有的独特特性而引领未来护肤美容、营养保健、细胞培养材料、生物止血、医美注射、土壤肥料等各个行业的变革 。合成生物学不仅可以用来生产已有物质，更可以创造自然界中所没有的、全新物质，如同当年化学创造出塑料一样，将人类带入现代文明。
上述研究受到国家自然科学基金优秀青年基金、江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金面上项目等基金资助。
近 年来 吴俊俊教授团队 以合成生物学与多学科交叉整合理念为指导，在系统开展新型细胞工厂构建上取得丰硕成果，相关研究成果发表于Advanced Materials、Nature Communications、Metabolic Engineering等国际权威期刊。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202304364

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