【材料】JACS：α-螺旋介导的蛋白粘附- 大数跨境

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2023-08-13

导读：近期，陕西师范大学化学与化工学院生物表界面与智能大分子杨鹏教授团队提出了α-螺旋介导的蛋白质界面粘附模型

通过探索生物大分子在界面上的有序排列和聚合，从更深层次理解蛋白质的界面粘附机制，有助于提高蛋白质基材料的性能。在蛋白质粘附的界面模型中，β-折叠的堆积以及由此产生的淀粉样蛋白聚集被认为是驱动界面粘附的决定性因素。例如，藤壶就是通过以β-折叠为主的类淀粉样蛋白结构牢固地粘附在珊瑚礁或船舶表面的。细菌产生的Curil fibril具有独特的β-薄片结构，可在多种固体表面形成牢固的附着力。然而，粘附相关的β-折叠结构，是与界面结合前就预先形成的，还是无规卷曲/α-螺旋中的柔性蛋白链附着在界面上之后，才转化而成的，其机理尚未可知。

图1. 通过α-螺旋介导的界面粘附模型

近期，陕西师范大学化学与化工学院生物表界面与智能大分子杨鹏教授团队提出了α-螺旋介导的蛋白质界面粘附模型（图1）。作者以含有约60% α-螺旋结构的牛血清白蛋白（BSA）为模型蛋白，通过分子动力学模拟和实验，追踪二硫键被还原的BSA（rBSA）在固液界面（SLI）的自组装过程（图2、图3），证明了在蛋白质粘附过程中，β-折叠的堆积并不是预先在溶液中形成，而是通过蛋白质的α-螺旋结构介导界面吸附，随后在界面处α-螺旋结构转变为β-折叠堆积（图4）。该研究证明了淀粉样蛋白粘附性与蛋白质二级结构之间的关系，提出了三个先前未被认识到的发现：（1）淀粉样蛋白质的界面粘附首先由吸附的具有α-螺旋结构的蛋白质链提供，并进一步得到分子间二硫键重组的协助；（2）具有高含量α-螺旋结构的蛋白质可以提供强大的界面粘附，但随着α-螺旋向β-折叠在界面上逐渐转变，界面粘附力显示出减弱趋势（图4）；（3）利用这种α-螺旋介导的蛋白质界面粘附，可在几乎任意材料表面制备含有单层或数层淀粉样蛋白质纳米薄膜。其强大的粘附力在修饰低表面能材料方面显示出巨大潜力（图5）。这项研究挑战了经典的以β-sheet为主的粘附途径，提出了α-螺旋介导的蛋白质界面粘附模型，从全新的角度解析了折叠蛋白质在界面上的粘附过程。为蛋白质介导的生物粘附提供了理论依据，对阿尔茨海默症机理、船舶防污和微生物防治等领域的研究提供了重要参考。文章中建立的高度可控的蛋白质粘附模型为在多种固体表面构建具有可调分子层和稳定界面粘附的蛋白质纳米膜提供了新策略，在生物界面、先进材料技术等应用领域具有重要的参考价值。

图2. rBSA 在云母表面自组装行为的分子动力学模拟

图3. rBSA在固液界面上的自组装

图4. 具有不同二级结构的蛋白质纳米膜的粘附性能

图5. 纳米膜的粘附模型及稳定性测试

该工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者是陕西师范大学博士生张颖颖博士和博士后刘永春博士，通讯作者为陕西师范大学的杨鹏教授和任浩副研究员。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

α‑Helix-Mediated Protein Adhesion

Yingying Zhang,^∥ Yongchun Liu,^∥Yonggang Liu, Ping Zuo, Shuting Miao, Bowen Hu, Yu Kang, Wei Liu, Qingmin Yang, Hao Ren,* and Peng Yang*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 17125–17135, DOI: 10.1021/jacs.3c03581

杨鹏博士简介

杨鹏，陕西师范大学教授。2006年北京化工大学高分子化学与物理博士毕业，师从杨万泰院士。之后赴德国马普研究所胶体与界面部、美国杜克大学和日本东京大学做博士后研究。2012年7月开始在陕西师范大学工作，任教授、博士生导师、陕西省特聘专家（创新人才长期项目)。

主要从事类淀粉样蛋白质组装及表界面改性的研究。通过该体系，有望简便易得地制备以蛋白质为代表的生物大分子组装新材料。已经初步形成如下特色：第一，发现并提出超快速类淀粉样蛋白质组装的新策略，可实现低成本、快速和批量制备蛋白质超分子材料；第二，突破传统意义上的高分子链结构短程有序控制局限性，提出基于类淀粉样蛋白质组装体的大分子介晶概念和普适性材料表界面改性方法，使蛋白质组装材料具有良好的机械稳定性、界面粘附性及复合相容性；第三，发展了基于大分子组装体系的非传统功能和价值，有望解决生物医用涂层和非氰提金试剂及工艺等领域的关键难题。这些成果已经在Chem. Rev. (1)、Acc. Chem. Res. (1)、Nature Sustain. (1)、Adv. Mater. (9)、Nature Commun. (2)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Angew. Chem. Int. Ed. (4)、ACS Cent. Sci. (1)、ACS Nano (1)、Nano Lett (1)、Adv. Funct. Mater. (2) 、Adv. Sci. (1) 等国际知名学术期刊发表论文100余篇，他引3000余次，H-index 32。申请中国发明专利50件，授权30件。获得了中国生物材料学会生物医用高分子材料优秀青年学者奖、全国胶体与界面化学优秀青年教师奖、教育部自然科学二等奖（2项：3/5；1/4）、陕西省杰出青年科学基金、全国百篇优秀博士论文提名、陕西省创新人才推进计划（即中青年科技创新领军人才）、陕西省化学优秀青年奖、陕西省青年科技奖等奖项和资助。是中国化学会高分子学科委员会委员，中国化学会应用化学学科委员会委员，中国化学会纤维素专业委员会委员，中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员，中国生物材料学会生物材料表界面工程分会委员，全国塑料标准化技术委员会委员以及陕西省高新技术企业评审专家组成员。受聘为国际学术期刊中国化学快报、高分子通报、Colloids Interface Sci. Commun. (Elsevier)、Adv. Compos. Hybrid Mater. (Springer-Nature)、Supramolecular Materials (KeAi) 编委，以及Smart Materials in Medicine副编辑。2022年入选美国斯坦福大学发布的“全球2%顶尖科学家”榜单。2022年入选苏州高新区狮山科技创新创业领军人才。

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任浩博士简介

任浩，陕西师范大学化学化工学院副研究员。2018年于北京化工大学取得化学博士学位。2016年至2017年在加拿大蒙特利尔大学联合培养。2018年7月加入陕西师范大学化学化工学院杨鹏教授团队。

主要研究方向为蛋白质界面组装机理、末端基团效应、多响应材料等。先后主持和完成国家自然科学基金委青年基金项目和陕西省青年基金项目等3项。以第一作者/通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Macromolecules, ACS Appl. Nano Mater, Poly. Chem.等学术期刊上发表SCI论文11篇。

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