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江南大學(xué)吳俊俊教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.:超強(qiáng)細(xì)胞修復(fù)蛋白 - 超分子彈性蛋白的合成生物學(xué)設(shè)計(jì)與制造
2023-11-01  來源:高分子科技

  蛋白多肽,是生物體內(nèi)至關(guān)重要的組成部分,它在各種生命活動中起著至關(guān)重要的作用,具有抗衰老、抗氧化、抗過敏、抗微生物、抗血栓及促進(jìn)細(xì)胞活性等營養(yǎng)和生物學(xué)功能。同時(shí)蛋白多肽還可以自組裝成納米粒子,參與到生物檢測、藥物遞送、組織工程中,具有廣闊的應(yīng)用前景,因而受到科研界廣泛關(guān)注。


  從動物組織直接提取功能蛋白面臨成分復(fù)雜、單體分離較難、提取工藝復(fù)雜、成本昂貴、批次質(zhì)量不穩(wěn)定、蛋白難以溶解(膠原蛋白在強(qiáng)酸下才能溶解)等難題,并且存在攜帶病毒、病原體等安全隱患。因此,通過構(gòu)建綠色、高效的微生物細(xì)胞工廠定制特定功能的重組蛋白來替代動物提取勢在必行。目前國內(nèi)重組蛋白市場巨大,僅重組膠原蛋白市場規(guī)模在2022年就已增至185億元。但多數(shù)生物活性蛋白如膠原蛋白需要形成穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)才能有著較好的生物活性,目前國內(nèi)外主要以生產(chǎn)膠原蛋白片段為主,結(jié)構(gòu)、活性完整的功能蛋白生產(chǎn)仍然是業(yè)內(nèi)難題。


  近日,江南大學(xué)生物工程學(xué)院吳俊俊教授課題組聯(lián)合周景文教授、陳堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威期刊《Advanced Materials》(影響因子:29.400)上發(fā)表題為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的學(xué)術(shù)論文。該研究通過將合成生物學(xué)與計(jì)算生物信息學(xué)、超分子化學(xué)、納米技術(shù)進(jìn)行多學(xué)科交叉融合,首次創(chuàng)造出的超強(qiáng)細(xì)胞修復(fù)蛋白——超分子彈性蛋白,效果優(yōu)于目前所有商業(yè)化重組蛋白,這是目前唯一的一款同時(shí)具有大分子透明質(zhì)酸、膠原蛋白、彈性蛋白、貽貝蛋白等諸多明星分子特性的新型功能蛋白。該蛋白同時(shí)具有活性位點(diǎn)外露的超分子結(jié)構(gòu)(有利于蛋白活性的發(fā)揮)、強(qiáng)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質(zhì)酸,僅僅1%的濃度即可形成水凝膠,但分子量。幾百萬道爾頓 vs 幾萬道爾頓))、具備強(qiáng)效水下黏附特性(黏附效果優(yōu)于貽貝蛋白,有利于蛋白持續(xù)發(fā)揮作用)、促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和分化、促進(jìn)細(xì)胞損傷修復(fù)(修復(fù)效果優(yōu)于目前的三型膠原蛋白和層粘黏蛋白)等優(yōu)良特性,因而具有超強(qiáng)的細(xì)胞修復(fù)能力。


本論文主要解決了以下難題:


  1、由于蛋白多肽序列過于多樣,僅10個(gè)氨基酸就可以組成超百億種多肽,因此,人們很難對其自組裝特性進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究,進(jìn)而優(yōu)化自組裝多肽的研究。目前只有極少的多肽能夠自組裝,形成滿足需求的超分子結(jié)構(gòu),并投入到工業(yè)應(yīng)用中。目前采用的蛋白自組裝方法多為化學(xué)合成的雙親短肽,成本高昂(20mg/1200元),難以工業(yè)化應(yīng)用。本研究提供了一種通用性蛋白自組裝方法,無需額外人工合成短肽,只需將來源于酵母的Ure2短肽與重組蛋白相融合,可使得任意重組蛋白只需靜置即可在任意環(huán)境中(純水、PBSDMEM培養(yǎng)基)自組裝成為具有超分子結(jié)構(gòu)的納米短肽,進(jìn)而形成超分子水凝膠。 


本文研發(fā)的超分子自組裝機(jī)制可使得任意重組蛋白均可形成具有超分子結(jié)構(gòu)的納米纖維,進(jìn)而形成超分子水凝膠,并且不同重組蛋白能以不同比例形成混合水凝膠

  2.如何獲得具有穩(wěn)定超分子結(jié)構(gòu)的功能蛋白一直為業(yè)界難題,當(dāng)前多數(shù)功能蛋白如膠原蛋白或貽貝蛋白均需要通過酶學(xué)修飾獲得理想結(jié)構(gòu),不僅存在著成本高、效率低等問題,上述共價(jià)修飾還易導(dǎo)致蛋白活性位點(diǎn)發(fā)生變化進(jìn)而影響其功能;本研究發(fā)現(xiàn)將超分子自組裝機(jī)制與彈性蛋白相結(jié)合,創(chuàng)造出的超分子彈性蛋白只需要通過靜置即可獲得穩(wěn)定的超螺旋結(jié)構(gòu),并且本研究的超螺旋結(jié)構(gòu)是由超分子力自組裝而成,不僅不會改變蛋白活性,還會賦予超分子蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及活性提高等特性。 


本文研發(fā)的超分子彈性蛋白具有穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)(A),通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)蛋白功能活性中心最大程度的暴露在納米纖維外圍,由此不僅增加蛋白穩(wěn)定性,還提高其活性

  3.本文創(chuàng)造的超分子彈性蛋白有著獨(dú)特的黏濕性特征,該蛋白遇水即粘,僅10mg的蛋白可粘附的起500g的砝碼,在生物止血上有著重要應(yīng)用前景。 


3超分子彈性蛋白可作為強(qiáng)效、快速生物止血?jiǎng)?/span>A: 1 mg的超分子彈性蛋白可以輕松粘附起大鼠的各個(gè)器官;B: 10 mg的彈性蛋白可以粘附豬皮,強(qiáng)度約為1 MPa;C: 超分子彈性蛋白具有快速止血功能,僅10 mg蛋白即可完全止血大鼠肝臟;D: 10 mg的超分子彈性蛋白遇血后可粘附起500g的砝碼;E超分子彈性蛋白可以作為雙眼皮貼

  4. 本文創(chuàng)造出的超分子彈性蛋白,同時(shí)具有大分子透明質(zhì)酸、膠原蛋白、彈性蛋白、貽貝蛋白等各個(gè)明星分子的特性。這是目前唯一的一款同時(shí)具有強(qiáng)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質(zhì)酸,但分子量。◣装偃f道爾頓 vs 幾萬道爾頓))、促進(jìn)細(xì)胞粘附和活性、促進(jìn)細(xì)胞損傷修復(fù)(效果好于目前的三型膠原蛋白和層粘黏蛋白)的新型彈性功能蛋白,具有極強(qiáng)的細(xì)胞修復(fù)特性。 


超分子彈性蛋白遇水即粘,在1%濃度時(shí)即可形成可注射式超分子水凝膠,水凝膠在水下依舊具有粘附性。本論文的水凝膠形成無需任何額外預(yù)處理手段,只需要將蛋白溶解靜置即可獲得
 

超分子彈性蛋白水凝膠具有極強(qiáng)的細(xì)胞粘附特性。將其涂抹于任何物體表面即可使得該物體成為優(yōu)良的細(xì)胞培養(yǎng)材料,可以用于培養(yǎng)肌肉干細(xì)胞,促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖。
 

超分子水凝膠不僅可以促進(jìn)細(xì)胞粘附和增殖,還可以促進(jìn)干細(xì)胞分化(A),實(shí)現(xiàn)細(xì)胞三維培養(yǎng)(C)
 

超分子水凝膠促進(jìn)圓形傷口的組織再生,僅僅第三天即可恢復(fù)62.5%的皮膚組織。
 

超分子彈性蛋白可替代手術(shù)縫合線促進(jìn)線性傷口的修復(fù)和組織再生。

  寫在最后:一直以來合成生物學(xué)最大魅力被很多科學(xué)家證明可以生產(chǎn)世上諸多稀有物質(zhì),而我們覺得合成生物學(xué)不僅可以用來生產(chǎn)已有物質(zhì),更可以創(chuàng)造自然界中所沒有的、全新物質(zhì),如同當(dāng)年化學(xué)創(chuàng)造出塑料一樣,將人類帶入現(xiàn)代文明。當(dāng)前透明質(zhì)酸、膠原蛋白、貽貝蛋白、聚谷氨酸等明星分子都是國外人員首次發(fā)現(xiàn)并加入應(yīng)用,期待這款國產(chǎn)超分子彈性蛋白能夠以其具有的獨(dú)特特性而引領(lǐng)護(hù)膚美容、營養(yǎng)保健、細(xì)胞培養(yǎng)材料、生物止血、醫(yī)美注射、土壤肥料等各個(gè)行業(yè)的變革。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202304364


本文第一/共同通訊作者吳俊俊教授簡介:


吳俊俊,江南大學(xué)生物工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,加州大學(xué)伯克利分校訪問學(xué)者(合作導(dǎo)師:合成生物學(xué)研究中心,美國工程院院士Jay Keasling),江南大學(xué)與華盛頓大學(xué)圣路易斯分校聯(lián)合培養(yǎng)博士,師從陳堅(jiān)院士。先后獲得國家優(yōu)秀青年基金、江蘇省杰出青年基金、江蘇省科協(xié)"青年科技人才托舉工程"培養(yǎng)對象、江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師等資助。擔(dān)任南京市微生物學(xué)會理事,南京市食品中級職稱委員會委員,國家自然科學(xué)基金通訊評審專家,F(xiàn)rontiers in Bioengineering and Biotechnology的評審編輯。主要從事通過整合交叉合成生物學(xué)、計(jì)算生物信息學(xué)、化學(xué)工程及材料學(xué)、納米學(xué)等多學(xué)科,構(gòu)建微生物資源分析工作站、天然產(chǎn)物/人造新功能蛋白設(shè)計(jì)-高通量篩選與制造-功能驗(yàn)證-規(guī);a(chǎn)平臺,聚焦新一代功能食品、功能蛋白材料及蛋白藥物的大規(guī)模綠色生物智造核心技術(shù)。共主持國家級和省部級科研項(xiàng)目十余項(xiàng),以第一作者/通訊作者身份在Advanced Materials、Nature communications、Metabolic Engineering等期刊發(fā)表多篇SCI論文。

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