《Chem. Rev.》综述：基于蛋白质生物材料的分子设计和人工生产

由化石燃料生产的聚合材料与20世纪工业活动的发展密切相关，但这些材料的制造和处置带来了巨大的可持续挑战。因此，迫切需要以更可持续的方式生产且其降解产物对环境无害的材料。天然生物聚合物，在性能上可以与合成聚合物竞争，有时甚至超过合成聚合物。其中，基于蛋白质的材料是一类应用十分广泛的可持续材料。

基于此，来自芬兰国家技术研究中心的Pezhman Mohammadi以及南洋理工大学的Ying Yu、Ali Miserez团队共同 对基于蛋白质的材料进行了全面综述。 作者从历史的角度开始这篇综述，了解早期为获得承载蛋白的主要序列所做的努力，然后是测序和蛋白质组学技术的最新发展，这些技术极大地加速了细胞外蛋白的测序。接下来，作者介绍了四大类蛋白质材料，即纤维材料、具有高可逆变形能力的生物弹性体、硬块状材料和生物粘合剂。在每一节中都专注于一级和二级结构级别的设计，并讨论它们与机械响应的相互作用（图1）。

相关综述论文以“Protein-Based Biological Materials: Molecular Design and Artificial Production”为题于2023年1月24日发表在《Chem. Rev.》上。

 

图1 蛋白质基生物材料的分子设计和人工生产

1. 细胞外蛋白质的测序：历史视角

在过去十年中，下一代测序(NGS)和蛋白质组学技术及其相关生物信息学软件的快速发展大大缓解了这些限制，提供了一系列加速发现的强大工具，尤其是在协同使用时。虽然这些先进的方法占据了蛋白质发现的中心舞台，但仍然需要传统的生化和分子生物学方法来识别调节蛋白质材料最终功能的重要分子特征，例如PTM或交联化学。一旦获得这些信息，再加上对序列-特性关系的深入了解，就可以将其转化为通过DNA重组技术人工制造基于蛋白质的材料。 本节重点介绍了四种细胞外纤维和弹性蛋白材料，它们举例说明了完全识别其端到端序列所需的广泛时间线，即：(i)节肢弹性蛋白，(ii)弹性蛋白，(iii)丝素蛋白，和(iv)贻贝粘附蛋白（图1）。

 

图2 承载蛋白的时间轴

在21世纪初，下一代测序(NGS)方法是另一个技术飞跃，极大地促进了基因组和转录组的研究。在NGS技术中，RNA测序(RNA-seq)在加速仿生研究的分子发现方面产生了重大影响。 简而言之，在最新发展中，mRNA是从特定组织或单个细胞中提取的，然后通过逆转录酶(RT)构建cDNA库，然后片段化为 30-400 个碱基对长的小读数（取决于特定的测序设备），在两端添加通用适配器。或者可以在RT之前首先对分离的mRNA进行片段化，然后在高通量测序仪上对每个短cDNA读数进行测序（图3）。

 

图3 获得完整承重结构蛋白序列的总体方法

2. 天然蛋白质基材料的分子设计

作者在此部分重点描述了基于蛋白质的材料的基本分子设计，重点是序列/结构特性关系以及常见的生化和结构特征，所介绍的材料是根据它们的结构功能进行组织的，并说明了基于蛋白质的材料利用多肽处理的整个二级结构谱。

作者介绍的四种主要的蛋白质材料，分别是纤维材料（图4）、具有高可逆变形能力的生物弹性体（图5）、硬体材料（图6）和生物粘合剂（图7）。在每节作者将重点放在一级和二级结构水平的设计上，并讨论它们与力学响应的相互作用。

 

图4 纤维蛋白材料

 

图5 生物弹性蛋白材料

 

图6主要由蛋白质制成的坚硬散装材料

 

图7 生物粘附蛋白

3. 蛋白质基材料的生物工程

在此部分，作者综述了蛋白质基材料的生物工程制造，比较了用于生物制造的不同类型的活体宿主，包括它们各自的主要优点/缺点和当前的局限性。同时也描述了纯化方法，因为在许多情况下它仍然是蛋白质基材料放大的瓶颈。

气溶胶、静电纺丝、浸没、微流体、光刻等各种制造方法已被用于制造长度尺度从纳米到毫米的材料，包括具有潜在医疗和工业应用的纳米球、无纺纳米纤维、复合材料、薄膜、纤维、粘合剂、水凝胶和气凝胶（图8）。

 

图8 生物技术生产的蜘蛛丝蛋白的多种材料应用

由于从贻贝中提取天然贻贝足蛋白的纯化程序复杂且成本高，因此开发了各种重组生产贻贝足蛋白（rMFP）的方法。此外，弹性蛋白的主要生理功能是在组织终生反复收缩和伸展后保持结构稳定性。然而，一些关键重复基序的重组生产的流行为研究基本结构-功能关系提供了另一种方法。从这些重复中汲取灵感，导致了称为ELP的新型蛋白质的生物合成，ELPs为许多医学和技术创新做出了贡献。

4. 展望和结论

合成聚合物以化石燃料为基础，其较差的降解性和普遍缺乏可回收性正在对我们的生态系统造成严重危害。因此，迫切需要开发更可持续的解决方案来缓解这些问题。在试图复制天然蛋白质基材料之前，第一个重要的步骤是确定蛋白质结构单元的完整序列。由于NGS和蛋白质组学的技术突破，现在有可能在更短的时间内对结构蛋白进行测序。 生物世界中存在多种天然蛋白质基材料，尽管并非详尽无遗，但本综述中介绍的模型生物系统代表了自然界中发现的主要承重材料类别，包括刚性或可延展(生物弹性体)纤维、粘合剂和散装材料。

为了复制生物制品处理细胞外物质的绿色化学原理，未来几年至关重要的是阐明结构前体蛋白如何在细胞外环境中分泌并运输到它们的最终目的地；它们如何与成熟结构的其他构建块（其他蛋白质、多糖、金属离子和矿物质）特异性相互作用；以及它们最终如何化学稳定以构建坚固的材料。需要仔细研究多个长度尺度，包括细胞内水平（不同的囊泡分泌特定的蛋白质）、前体蛋白质集中的腺体组织并受到各种微环境（pH值、离子强度等）、条件和/或机械应力，以及沉积过程中的组织水平。

此外，为了以具有成本效益、高效和可持续的制造方式提供下一代生物聚合物，生物加工方法还需要巧妙地将高通量筛选平台与使用先进微型反应器进行过程优化的自动化互连起来。

文章来源：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00621