清华化学系刘凯、张洪杰院士团队Angew：稀土增强型蛋白胶水

发展蛋白分子工程制备高性能生物粘合剂在生物医药领域具有重要应用价值，然而目前对粘附性蛋白的研究主要局限于一些海洋生物的结构蛋白，如贻贝足丝蛋白Mfp等。近年来，多种生物结构蛋白（如弹性蛋白、蛛丝蛋白）因其模块化的序列特征和优异的力学性能水而备受关注。随着合成生物学的快速发展，通过在分子尺度上调节结构蛋白氨基酸序列，有望实现结构蛋白材料特定的应用需求。然而，目前在粘附性蛋白的合理设计上仍存在许多瓶颈，特别是如何通过合理的模块设计有效调控蛋白的折叠结构和分子间相互作用，进而提升粘附性能仍然存在挑战。

针对上述问题，清华大学刘凯、张洪杰院士教授团队发展了超黏附稀土镧调蛋白胶制备技术，通过模块化设计构建了可结合稀土离子的黏附蛋白模型，通过不同粘附模块的组合成功研制了一类稀土离子诱导增强的、可耐受潮湿环境和极端温度的超强蛋白粘合剂。在蛋白粘合剂体系中，富含正电荷的类弹性蛋白模块为形成凝聚体粘合剂提供高密度正电荷作用位点，镧调蛋白模块则在镧系元素诱导后，由无规则卷曲向α-螺旋构象转变，通过改变模块化黏附蛋白的构象、提高黏附蛋白堆积密度、加强分子间/分子内相互作用，从而有效提高粘附性能。协同的多分子相互作用使该类稀土蛋白粘合剂在各种基质上表现出优异的界面粘附性能，优于其他聚合物或超分子基粘合剂。相关论文以“Strong Protein Adhesives through Lanthanide-enhanced Structure Folding and Stack Density”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》。

图1 发展模块化蛋白工程制备超黏附稀土蛋白胶

首先，利用融合表达和物理共混两种方式组合镧调蛋白模块与类弹性蛋白模块，获得了四种模块化黏附蛋白（图1A-C）。稀土元素配位的模块化黏附蛋白与十二烷基苯磺酸钠（SDBS）发生静电相互作用进而驱动液液相分离和凝聚，成功制备稀土-蛋白粘合剂。该稀土-蛋白粘合剂可以粘合两块铁板，并可承载重达11公斤的杠铃（图1D）。此外，稀土-蛋白粘合剂表现出超强的水下粘附性能，在粘合面积为20毫米×20毫米时可以承受1升水及玻璃烧杯（280克）的负载，负载时间超过12小时（图1E-F）。

图2 稀土调控超强蛋白粘合剂的硬底片粘合性能及粘合剂内部超分子作用模拟

通过搭接剪切试验证实了镧调蛋白模块的一级结构（氨基酸残基）和镧系元素诱导的构象转变在提升粘合性能中的作用。稀土-蛋白粘合剂在铁底片上的粘合强度可达31.7±1.8 MPa，优于目前报道的超分子或聚合物粘合剂（图2A-C,2G,2H）。分子模拟发现，具有镧调蛋白模块的粘合剂内部的超分子相互作用更强。同时，稀土增强型蛋白粘合剂在极端温度（-196和200°C）下粘合强度保持稳定（图2D-E），同时具有良好的抗水性能（图2F），显著拓宽了此类粘合剂的实际应用场景。

图3 稀土调控的超强蛋白粘合剂在生物组织底片的粘合性能及动物模型止血应用

稀土增强型蛋白粘合剂在生物软组织底片上具有较高的粘合强度及粘附能（图3A-H）。此外，细胞增殖实验证实了其良好的生物安全性。作为一种柔软、安全的生物粘合剂，稀土增强型蛋白粘合剂实现了兔模型肾下腹主动脉、下腔静脉、肾脏和肝脏的5秒内粘合出血（图3I-L），并且没有观察到肿胀，表明其具有优异的止血性能。因此，稀土增强型蛋白粘合剂在血管或内脏止血的生物医学领域具有很大的应用价值。

图4稀土调控的超强蛋白粘合剂的皮肤伤口愈合应用探索

利用大鼠模型进行皮肤伤口粘合和愈合实验发现稀土调控的超强蛋白粘合剂表现出快速的皮肤封闭和愈合能力（图4A-C）。H&E染色表明稀土增强型粘合剂处理组再生出更多的毛囊和皮脂腺（图4D），皮肤愈合程度更高，Masson染色显示其修复的皮肤中胶原和皮肤附件排列良好（图4E），明显优于传统缝合线和商业医用粘合剂处理组。免疫荧光分析显示，在稀土-蛋白粘合剂修复的皮肤组织中未见明显的促炎细胞因子如白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）（图4F-G）。上述结果表明，稀土调控的超强蛋白粘合剂具有强大的界面粘附性能和良好的生物相容性，对动态皮肤组织具有良好的适用性，能够有效促进伤口愈合和皮肤再生。

综上所述，研究者通过模块化蛋白工程策略，制备了具有超强粘附性能、耐极端温度、水下稳定、可重复使用的稀土蛋白粘合剂，能够满足多场景应用需求。此外，良好的生物相容性和可降解性赋予该稀土调控的超强蛋白粘合剂广阔的生物医学应用前景。值得注意的是，通过稀土镧系元素诱导的构象转变增强了黏附蛋白的堆积密度，从而增强分子间相互作用，实现粘合剂性能提升，该工作为高性能生物材料的开发提供了一种通用的策略。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202304483

来源：高分子科学前沿-Early View

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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