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  高彈性的蛋白質材料不僅在彈性組織中發(fā)揮著重要的力學功能，比如肺泡擴張，也可以應用于一系列的生物醫(yī)學工程研究， 比如可穿戴生物電子設備和軟體機器人等。蛋白質材料的高彈性一般源自其氨基酸序列和分子的構象，并認為和橡膠一樣屬于熵彈性。但是用于制備高彈性蛋白質材料的序列或分子設計非常有限，而這種序列-構象-彈性關系的分子機制也沒有得到全面的理解。近日，Tufts大學David L. Kaplan 課題組和哈佛大學醫(yī)學院Y. Shrike Zhang 課題組合作在PNAS上發(fā)表名為《Conformation-driven strategy for resilient and functional protein materials》 的工作。其揭示了蛋白質彈性體的分子機制和制備了梯度蛋白質材料，為功能性蛋白質材料的發(fā)展提供了研究機會。文章第一作者為哈佛大學醫(yī)學院、塔夫茨大學博士后研究員慕軒。

圖1. 光交聯絲蛋白水凝膠具備不同的分子構象（conformation）和機械彈力（resilience）。

  研究者們采用了由Bombyx mori蠶繭再生得到的絲蛋白（Silk fibroin）溶液來進行這一項工作。絲蛋白具有生理相關的多重分子構象（conformational polymorphism），比如亞穩(wěn)態(tài)的random coils 和穩(wěn)態(tài)的β-sheets，因此是一種非常有益的蛋白質材料用于研究構象的調控變化和研究構象-彈性的關系。另外，絲蛋白的氨基酸序列和組成與自然界中的最常見的兩種彈性蛋白質（resilin 和elastin）有明顯的差異，因此有助于理解蛋白質彈性體的分子設計。比如， 與天然彈性蛋白相比，絲蛋白（重鏈）含有相匹配的甘氨酸含量，但是顯著減少的脯氨酸含量。這一結果可能說明，甘氨酸的高含量是彈性所必須的；脯氨酸的含量不影響蛋白材料的彈性，但可能與構象的穩(wěn)定性相關。絲蛋白溶液在基于Ru/SPS的光交聯之后得到as-prepared的水凝膠；其在生理鹽水中浸泡得到swollen水凝膠。As-prepared和swollen絲蛋白水凝膠都保持了random coil的分子構象。該分子構象并沒有一個固定的三維結構，而是一系列可以快速，相互轉換的三維結構。根據Boltzmann公式，微觀狀態(tài)數與熵相關。因此random coil構象具有較多的微觀狀態(tài)數和較高的熵。在外力拉伸絲蛋白水凝膠的作用下，絲蛋白分子鏈趨于相互平行，熵被降低。在外力去除之后，熵會自動增大，并由此驅動水凝膠恢復原先的形狀。這一彈性形變過程只涉及熵的變化，且不涉及能量的損失，稱為熵彈性。研究者進一步使用甲醇溶液對swollen絲蛋白水凝膠進行處理得到rigid 水凝膠。其中，絲蛋白分子的主要構象從random coils 轉化為β-sheets。β-sheets具有固定的三維分子結構和單一的微觀狀態(tài)數，因此降低了熵和彈性。絲蛋白的構象多態(tài)性和以此構建的多種水凝膠提供了一個通用的技術平臺用于研究構象-彈性關系。

圖2. 絲蛋白水凝膠的彈性表征，與天然彈性蛋白的比較，以及與構象的關聯。

  研究者使用拉伸測試（tensile tests）和動態(tài)材料測試（dynamic mechanical analysis）表征了絲蛋白水凝膠的彈性。其中as-prepared 和swollen絲蛋白水凝膠的彈性與天然彈性蛋白resilin和elastin相差無幾；而rigid 絲蛋白水凝膠則表現明顯下降的彈性。例如，as-prepared絲蛋白水凝膠在不同的拉伸應變下保持超過97%的超高彈性和穩(wěn)定的拉伸模量。Swollen絲蛋白水凝膠的機械性能受到其含水量增高的影響，其拉伸模量變小，而彈性略微降低，但仍保持與天然彈性蛋白質材料相匹配的水平。Rigid水凝膠則顯示了顯著降低的彈性，應由構象變化所致。另外，研究者通過控制甲醇溶液的處理時間，得到具有不同構象含量的絲蛋白水凝膠。研究者進一步使用了拉曼（Raman） 光譜，尤其是amide I的半峰寬和酪氨酸雙峰比值（I850/I830）等半定量性質，表征了這些絲蛋白水凝膠的分子構象。研究結果展示絲蛋白的分子構象和其彈性具有直接的、幾乎線性的關聯。這些結果支持了傳統的構象-彈性的關系，建議了基于構象操縱蛋白質水凝膠彈性的策略，以及提供了表征蛋白質水凝膠機械性能的光譜學方法。

圖3. 基于構象的梯度蛋白質材料。

  梯度材料（graded materials）常見于生物體內用于連接機械性能不一致的組織和材料，比如骨組織和肌肉，牙齒和牙齦，以及貝殼和巖石等。連續(xù)變化的機械性能有助于減小局部的應力過大和穩(wěn)定不同組織間的連接等。研究者利用絲蛋白水凝膠的構象多態(tài)性和其構象-彈性的關系，構建了梯度蛋白質材料。研究者首先發(fā)展了單向的甲醇處理方法，讓絲蛋白水凝膠具有空間連續(xù)變化的構象梯度，其由激光拉曼光譜進行表征。研究者再利用壓縮方法測試了局部的水凝膠材料，其模量和彈性與構象的含量基本一致。比如，水凝膠的兩端分別類似于彈性的as-prepared水凝膠和非彈性的rigid水凝膠；而中間的過度區(qū)域則展示了介于兩端之間的構象和彈性。研究者進一步發(fā)展了有限元分析方法來模擬蛋白質材料的旋轉，并取得與實驗結果一致的模擬結果。例如，對于梯度蛋白質材料，旋轉螺旋的位置都更偏向彈性的一段；而swollen水凝膠的螺旋則在中間。

  文章鏈接：https://www.pnas.org/content/119/4/e2115523119