香港科技大学孙飞/吴若昊AFM：利用基因编码点击化学与AlphaFold2，实现人造蜘蛛丝的功能化应用

近日，香港科技大学的孙飞教授和吴若昊教授联合团队通过基因编码点击化学（GECC）与AlphaFold2辅助设计成功实现了人造蜘蛛丝的功能化应用，并为多功能一维蛋白质材料的设计提供了新策略。这一重要成果刊登在《Advanced Functional Materials》上。

蜘蛛丝因其出色的机械特性和生物相容性备受瞩目。作为一种生物聚合物，蜘蛛丝具备高抗拉强度、良好可延展性、强生物相容性、可生物降解性和低过敏性等特点。蜘蛛丝在各个领域具有广泛的研究应用，包括生物传感器、外科缝合线、纺织品、光学波导和神经再生等。然而，由于蜘蛛食同类行为和产量较低，通过养殖大规模生产蜘蛛丝几乎是不可行的。随着合成生物学的兴起，科学家们采用基因工程的方法，在异源宿主中成功表达出人工重组的蜘蛛丝蛋白，并能够模拟蜘蛛吐丝环境进行人工纺丝。

尽管蜘蛛丝具备卓越的机械性能和生物医学应用潜力，但要将其打造成具有特定功能的生物医用一维材料仍面临挑战。这是因为这些蛋白质纤维具有精细和敏感的性质，很难在强化学溶剂环境中进行表面特性修饰而同时保持其机械性能。

在这项研究中，科研团队采用一种名为SpyTag/SpyCatcher的基因编码点击化学方法，借鉴了合成生物学的模块化思想，成功突破了这一困境，实现了人造蜘蛛丝的多功能化，构建了一个功能化一维蛋白质生物材料的平台。

基因编码点击化学是构建先进蛋白质结构和生物活性材料的重要工具之一。其中，SpyTag/SpyCatcher作为基因编码点击化学工具箱中的典型方法，源于自然界微生物中的异肽键化学。它通过自发形成赖氨酸/天冬氨酸（Lys/Asp）异肽键，控制功能化蛋白质分子的自组装反应。采用这一策略，研究团队实现了将模块化蛋白质与蜘蛛丝结合，而无需进行化学修饰。

图1 通过基因编码点击化学方法对于人造蜘蛛丝进行功能化修饰的策略

这项工作首先利用AlphaFold2辅助对蜘蛛丝蛋白进行模块化设计，成功地在大肠杆菌中表达出带有SpyTag标签的重组蜘蛛丝蛋白，并应用仿生纺丝技术将其转化为表面暴露有SpyTag标签的人造蜘蛛丝。这种带有SpyTag标签的人造蜘蛛丝能够与带有SpyCatcher标签的功能化蛋白共价结合，使功能化蛋白附着在人造蜘蛛丝的表面，从而赋予蜘蛛丝多种功能。这项技术允许在纺丝过程后将各种基序（包括荧光蛋白、酶和细胞结合配体等）引入蜘蛛丝线中，相比基因工程或其他化学共轭方法，具有更好的控制性和灵活性，有效实现了一维蛋白质材料的模块化功能化。

图2 在蜘蛛丝上装饰多种荧光蛋白

研究团队还通过在蜘蛛丝表面结合硅酸酶后进行仿生矿化，以蜘蛛丝为基底成功制备出了二氧化硅纤维材料，为制备有机-无机杂化一维材料提供了新思路。

图3 硅酸酶修饰的蜘蛛丝进行仿生矿化

更令人振奋的是，通过在蜘蛛丝表面组装细胞粘附肽（RGD）和细胞层粘连蛋白（laminin），可以制作人工细胞外基质一维支架材料，显著增强人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在支架上的粘附和增殖，展现了其作为人工血管支架材料的巨大潜力，对于血管生物学研究具有重要意义。这些应用展示了其作为一种简单而强大的一维蛋白质材料制备方法的巨大潜力。

图4 组装有细胞粘附肽和细胞层粘连蛋白的蜘蛛丝作为人工细胞外基质一维支架材料

这项研究为功能化人造蜘蛛丝开辟了全新的途径，为构建一维多功能蛋白质材料提供了平台技术。相信这一科学突破将对生物医学领域中更先进、更多样化的材料应用产生重要影响。让我们共同期待未来会有更多令人惊喜的应用问世！

注：此项研究的主要完成人JIANG Bojing, TAN Sin Yen及FANG Shiyu（共同一作）均为香港科技大学化学及生物工程学系研究生。

参考文献：

Jiang B., Tan S.Y., Fang S., et al. Designed Multifunctional Spider Silk Enabled by Genetically Encoded Click Chemistry. Advanced Functional Materials(2023) Early View. https://doi.org/10.1002/adfm.202304143

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！