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。同时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。
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（胶原蛋白在强酸下才能溶解）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。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。
近日，江南大学生物工程学院吴俊俊教授课题组联合周景文教授、陈坚院士团队在国际权威期刊《Advanced Materials》（影响因子：29.400）上发表题为“A general and convenient peptide self-assembling mechanism for developing supramolecular versatile nanomaterials based on the biosynthetic hybrid amyloid-resilin protein”（DOI: 10.1002/adma.202304364）的学术论文。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，首次创造出的超强细胞修复蛋白——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。
本论文主要解决了以下难题：
1、由于蛋白多肽序列过于多样，仅10个氨基酸就可以组成超百亿种多肽，因此，人们很难对其自组装特性进行全面系统的研究，进而优化自组装多肽的研究。目前只有极少的多肽能够自组装，形成满足需求的超分子结构，并投入到工业应用中。目前采用的蛋白自组装方法多为化学合成的双亲短肽，成本高昂（20mg/1200元），难以工业化应用。本研究提供了一种通用性蛋白自组装方法，无需额外人工合成短肽，只需将来源于酵母的Ure2短肽与重组蛋白相融合，可使得任意重组蛋白只需静置即可在任意环境中（纯水、PBS或DMEM培养基）自组装成为具有超分子结构的纳米短肽，进而形成超分子水凝胶。
图1 本文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
2.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
3.本文创造的超分子弹性蛋白有着独特的黏湿性特征，该蛋白遇水即粘，仅10mg的蛋白可粘附的起500g的砝码，在生物止血上有着重要应用前景。
图3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
4. 本文创造出的超分子弹性蛋白，同时具有大分子透明质酸、胶原蛋白、弹性蛋白、贻贝蛋白等各个明星分子的特性。这是目前唯一的一款同时具有强大持水特性、低分子量易吸收（持水特性好于目前的大分子透明质酸，但分子量小（几百万道尔顿 vs 几万道尔顿））、促进细胞粘附和活性、促进细胞损伤修复(效果好于目前的三型胶原蛋白和层粘黏蛋白）的新型弹性功能蛋白，具有极强的细胞修复特性。
图4 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
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，促进细胞粘附和增殖。
图6 超分子水凝胶不仅可以促进细胞粘附和增殖，还可以促进干细胞分化（A），实现细胞三维培养(C)
图7 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。
图8 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。
写在最后：一直以来合成生物学最大魅力被很多科学家证明可以生产世上诸多稀有物质，而我们觉得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。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，我们期待这款国产超分子弹性蛋白能够以其具有的独特特性而引领护肤美容、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。
本文第一/共同通讯作者吴俊俊教授简介：
吴俊俊，江南大学生物工程学院教授，博士生导师，加州大学伯克利分校访问学者(合作导师：合成生物学研究中心，美国工程院院士Jay Keasling)，江南大学与华盛顿大学圣路易斯分校联合培养博士,师从陈坚院士。先后获得国家优秀青年基金、江苏省杰出青年基金、江苏省科协"青年科技人才托举工程"培养对象、江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师等资助。担任南京市微生物学会理事，南京市食品中级职称委员会委员，国家自然科学基金通讯评审专家，Frontiers in Bioengineering and Biotechnology的评审编辑。主要从事通过整合交叉合成生物学、计算生物信息学、化学工程及材料学、纳米学等多学科，构建微生物资源分析工作站、天然产物/人造新功能蛋白设计-高通量筛选与制造-功能验证-规模化生产平台，聚焦新一代功能食品、功能蛋白材料及蛋白药物的大规模绿色生物智造核心技术。共主持国家级和省部级科研项目十余项，以第一作者/通讯作者身份在Advanced Materials、Nature communications、Metabolic Engineering等期刊发表多篇SCI论文。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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