清華新聞網(wǎng)9月6日電 結(jié)構(gòu)蛋白纖維因其優(yōu)異的力學(xué)和生物特性而受到廣泛關(guān)注，如何在分子水平上對(duì)蛋白內(nèi)部化學(xué)作用進(jìn)行精細(xì)操縱以提升蛋白纖維的環(huán)境抗逆性和形態(tài)可調(diào)性對(duì)推動(dòng)生物纖維特種應(yīng)用具有重要的意義。
9月2日，清華大學(xué)化學(xué)系劉凱、張洪杰等人在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“動(dòng)態(tài)亞胺鍵化學(xué)驅(qū)動(dòng)的蛋白纖維力學(xué)自恢復(fù)性”（Protein fibers with self-recoverable mechanical properties via dynamic imine chemistry）的研究論文。他們通過(guò)合成生物學(xué)和化學(xué)組裝調(diào)控相結(jié)合，建立了結(jié)構(gòu)蛋白動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵引導(dǎo)纖維成型策略（圖1），以人工設(shè)計(jì)合成的多氨基無(wú)序結(jié)構(gòu)蛋白為模型，發(fā)展了動(dòng)態(tài)亞胺鍵纖維化學(xué)制備技術(shù)，創(chuàng)建了高抗逆性和形態(tài)制動(dòng)性的特種蛋白纖維，在極端環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性和抗逆能力，并可快速實(shí)現(xiàn)蛋白纖維力學(xué)自恢復(fù)性和刺激往復(fù)伸展-收縮制動(dòng)性。
圖1.以人工設(shè)計(jì)合成的多氨基無(wú)序結(jié)構(gòu)蛋白為模型，發(fā)展動(dòng)態(tài)亞胺鍵纖維化學(xué)制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能蛋白纖維宏量制備
在該體系中，通過(guò)動(dòng)態(tài)亞胺鍵化學(xué)可快速大批量制備性能優(yōu)異的蛋白纖維。在凝固浴中引入微量戊二醛有助于在無(wú)序結(jié)構(gòu)蛋白域內(nèi)形成動(dòng)態(tài)亞胺鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為蛋白纖維的機(jī)械強(qiáng)度、抗逆性及形態(tài)制動(dòng)性提供分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。除此之外，通過(guò)后拉伸處理有效提高蛋白分子在纖維內(nèi)部的高度有序排列，進(jìn)一步增強(qiáng)蛋白纖維的力學(xué)性能（圖2）。力學(xué)測(cè)試表明，隨著蛋白分子量從19kDa（K-36）增加到72kDa（K-144cys），蛋白纖維的抗拉強(qiáng)度隨之增加，最終抗拉強(qiáng)度可達(dá)420MPa，楊氏模量高達(dá)5.5GPa，超過(guò)諸多人工合成蛋白纖維和聚合物纖維。這些結(jié)果表明，無(wú)序結(jié)構(gòu)蛋白的高分子量和良好排列的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)是提高蛋白纖維機(jī)械性能的關(guān)鍵。
圖2.動(dòng)態(tài)亞胺鍵化學(xué)引導(dǎo)的蛋白纖維優(yōu)異機(jī)械性能
研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白纖維表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能可恢復(fù)性和力學(xué)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖3）。所有纖維經(jīng)過(guò)不同酸性環(huán)境處理后，再利用中性水環(huán)境的浸泡和空氣中干燥后，其力學(xué)性能可完美復(fù)原。這種力學(xué)可恢復(fù)性行為正是來(lái)源于蛋白內(nèi)部引入的動(dòng)態(tài)亞胺鍵的斷裂和重組。有趣的是，蛋白纖維即使在極冷的條件下（液氮浸泡12小時(shí)）也表現(xiàn)出異常的力學(xué)穩(wěn)定性。推測(cè)這是由于亞胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以防止纖維中低溫下冰團(tuán)的接近或形成，避免應(yīng)力集中和開(kāi)裂，從而保持蛋白纖維的穩(wěn)定性。更重要的是，在8個(gè)月（甚至1年以上）后，蛋白纖維的力學(xué)性能仍基本保持不變，充分證實(shí)其良好的力學(xué)穩(wěn)定性。此外，該蛋白纖維還表現(xiàn)出耐高溫性。這種現(xiàn)象可能歸因于纖維內(nèi)部的亞胺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在100°C到150°C的范圍內(nèi)在一定程度上維持蛋白系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖3.動(dòng)態(tài)亞胺鍵網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的蛋白纖維力學(xué)可恢復(fù)性、耐疲勞性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了原紡蛋白纖維和后拉伸蛋白纖維的不同濕度刺激形態(tài)響應(yīng)行為（圖4）。當(dāng)與水接觸時(shí)，研究人員觀(guān)察到原紡蛋白纖維的自折疊和自伸展現(xiàn)象。對(duì)于一根長(zhǎng)度為50毫米的典型原紡蛋白纖維，在水中延展到63毫米，并在脫水后恢復(fù)到其原始長(zhǎng)度。基于此，研究人員設(shè)計(jì)了一種濕度響應(yīng)式致動(dòng)器，該致動(dòng)器表現(xiàn)出非凡的往復(fù)伸展收縮運(yùn)動(dòng)行為。當(dāng)纖維在30%濕度下脫水和在100%濕度下水合時(shí)，它可以在多個(gè)周期內(nèi)可逆地進(jìn)行形態(tài)伸展和收縮制動(dòng)。然而，與原紡蛋白纖維不同的是，后拉伸蛋白纖維在接觸水時(shí)會(huì)因熵的增加而收縮。因此后拉伸蛋白纖維束在受到水的刺激后迅速收縮，以破口的瓊脂凝膠或豬肉為模型，證明了該類(lèi)型蛋白纖維對(duì)肌肉動(dòng)態(tài)修復(fù)和疲勞調(diào)節(jié)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖4.在不同的濕度環(huán)境下，動(dòng)態(tài)亞胺鍵蛋白纖維具有多模式形態(tài)制動(dòng)行為，對(duì)肌肉動(dòng)態(tài)修復(fù)和疲勞調(diào)節(jié)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值
綜上所述，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展蛋白分子工程和動(dòng)態(tài)化學(xué)調(diào)控，展示了動(dòng)態(tài)亞胺鍵化學(xué)可作為一種用于合理設(shè)計(jì)堅(jiān)固耐用蛋白纖維的新型技術(shù)。與傳統(tǒng)蛋白纖維較差的環(huán)境適應(yīng)性相比，所構(gòu)建蛋白纖維內(nèi)亞胺鍵的可逆解離和重組特性使得該蛋白纖維具有優(yōu)異的抗逆性、耐疲勞性、力學(xué)自修復(fù)性和形態(tài)可調(diào)性。特別是，蛋白纖維在極端環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性和可恢復(fù)性。同時(shí)，由于纖維內(nèi)部的水合不均勻性和熵增特性，實(shí)現(xiàn)了蛋白纖維多功能自主驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式。蛋白纖維出色的力學(xué)性能和低細(xì)胞毒性使其具有潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，研究者的策略通過(guò)操縱氨基酸序列和在蛋白鏈之間引入動(dòng)態(tài)亞胺鍵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)蛋白分子內(nèi)和分子間化學(xué)作用調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了高機(jī)械性能和多樣功能性，為推進(jìn)高性能生物纖維在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用提供了全新的技術(shù)支撐。
該研究在清華大學(xué)化學(xué)系和清華大學(xué)稀土新材料教育部工程研究中心張洪杰院士指導(dǎo)下完成，清華大學(xué)化學(xué)系和清華大學(xué)稀土新材料教育部工程研究中心劉凱教授、浙江大學(xué)陳東教授和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇娟娟副教授為論文共同通訊作者，華東師范大學(xué)孫靜博士、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所何浩男博士和清華大學(xué)趙柯魯博士為論文共同第一作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院人才基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41084-1
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
