【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】5月18日，中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院海洋生物遺傳與育種教育部重點實驗室方宗熙薩斯研究中心劉偉治團(tuán)隊與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘超團(tuán)隊/劉志遠(yuǎn)團(tuán)隊，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，在線發(fā)表了題為Extensible and self-recoverable proteinaceous materials derived from Scallop Byssal Thread的論文。該成果是扇貝足絲蛋白仿生材料研究領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
生物仿生材料是材料領(lǐng)域的研究熱點和難點。多年來，為彌補(bǔ)當(dāng)前組織修復(fù)材料、柔性傳感器和可穿戴設(shè)備材料在濕環(huán)境下延伸性差、恢復(fù)性差等不足，科研團(tuán)隊聚焦于濕環(huán)境下具有高延展性的扇貝足絲的研究，克服了天然材料提取表征困難等技術(shù)難題，在扇貝足絲蛋白中首次報道了一種具有高延展性的纖維蛋白材料Sbp5-2，并聯(lián)合開展了材料組裝機(jī)制及應(yīng)用研究。該研究加深了對蛋白基海洋生物材料組裝分子機(jī)制的認(rèn)識，為未來開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型海洋生物醫(yī)用生物材料奠定了基礎(chǔ)。
研究對扇貝足絲結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，其在濕環(huán)境下延伸性能可達(dá)327±32%(圖1a)，超過多數(shù)天然的生物纖維(圖1b)。研究觀察足絲纖維部(圖1c)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，足絲纖維由折疊的片層組成，且富含β-sheet結(jié)構(gòu)(圖1d)。基于多組學(xué)技術(shù)在足絲纖維部篩選出關(guān)鍵蛋白組分Sbp5-2(圖1e)，該蛋白具有顯著的序列特點即含有多個重復(fù)模塊(TRM)且富含Cys(圖1f)。體外重組表達(dá)該蛋白的重復(fù)模塊序列制備了仿扇貝足絲的重組蛋白纖維(圖1g-j)。
體外重組蛋白纖維的力學(xué)性質(zhì)和組裝機(jī)制研究表明：重組絲具有扇貝足絲的層級結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，具有顯著的延展性和自恢復(fù)能力(圖2a-d)；機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)氫鍵、金屬羧基配位和二硫鍵為主的分子間交聯(lián)對rTRM7纖維的延伸性和自恢復(fù)能力有調(diào)控作用：纖維內(nèi)部水分子起到增塑作用從而提高纖維的延伸性，二硫鍵的存在可顯著增強(qiáng)其拉伸強(qiáng)度同時降低其延伸性，Ca2+與蛋白的羧基形成配位鍵，且提高了蛋白分中β-sheet含量，從而提高重組蛋白纖維的拉伸強(qiáng)度(圖2e-j)。
為了探索高延伸性重組蛋白纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，研究將石墨烯嵌入蛋白纖維中制備出同時具有高延伸性和高導(dǎo)電性能的纖維e-rTRM7(圖3a-d)。蛋白纖維e-rTRM7具有良好的細(xì)胞相容性，且在作為應(yīng)變傳感器和電生理信號傳輸電極方面頗具應(yīng)用潛力(圖3e-i)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳先進(jìn)院開放課題項目及深圳合成生物創(chuàng)新研究院項目的支持。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)，上海同步輻射光源的科研人員參與研究。部分成果已申請新材料專利。
圖1.扇貝足絲機(jī)械性能與結(jié)構(gòu)以及重組蛋白纖維制備
圖2.重組蛋白纖維rTRM7機(jī)械性能及其調(diào)控機(jī)制
圖3.導(dǎo)電e-rTRM7纖維作為應(yīng)變傳感器和電信號傳輸電極的應(yīng)用
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