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  蛋白質(zhì)是一類具有精確結(jié)構(gòu)和獨(dú)特功能的生物大分子。理解并運(yùn)用蛋白構(gòu)筑特定功能材料，是一個(gè)非常有意義，且極具挑戰(zhàn)性的工作。早在上世紀(jì)九十年代，人們就利用電荷復(fù)合作用、卷曲螺旋作用、糖-蛋白結(jié)合作用等制備了多種含有天然蛋白質(zhì)的薄膜體系，將酶等功能蛋白固定在薄膜中，發(fā)揮作用。這些方法對(duì)蛋白的電性有特定的要求，并不是普適的方法，而且所得到的薄膜是物理復(fù)合的薄膜，其穩(wěn)定性亦有限，因此，此類含蛋白功能薄膜的制備和應(yīng)用都受到很大的限制。

  針對(duì)這一問題，張文彬教授和楊曙光教授團(tuán)隊(duì)基于彼此正交的諜蛋白反應(yīng)對(duì)（SpyCatcher/SpyTag）和探蛋白反應(yīng)對(duì)（SnoopCatcher/ SnoopTag），設(shè)計(jì)出具有互補(bǔ)反應(yīng)性的蛋白質(zhì)構(gòu)筑單元（CBC和DAD），實(shí)現(xiàn)了共價(jià)交聯(lián)的全蛋白質(zhì)層層組裝功能薄膜（圖1）。

圖1. 通過正交的“諜化學(xué)與探化學(xué)”實(shí)現(xiàn)共價(jià)交聯(lián)的全蛋白質(zhì)層層組裝

  該設(shè)計(jì)以彈性蛋白為基質(zhì)，以排除諜反應(yīng)和探反應(yīng)嚴(yán)苛的空間要求對(duì)于膜生長(zhǎng)的影響，同時(shí)，在CBC蛋白中，可以模塊化地引入折疊蛋白結(jié)構(gòu)域（比如超級(jí)鈾結(jié)合蛋白SUP）。利用該融合蛋白CBC-SUP與DAD交叉反應(yīng)亦可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的薄膜生長(zhǎng)。蛋白質(zhì)天然的刺激響應(yīng)性賦予了薄膜對(duì)于多重刺激的敏感和響應(yīng)性（比如pH，溫度，離子強(qiáng)度，多種二價(jià)陽離子等）。超級(jí)鈾結(jié)合蛋白的引入則進(jìn)一步賦予了蛋白質(zhì)薄膜（CBC-SUP/DAD）特異性吸附鈾酰陽離子的特性。

圖2. 將負(fù)載有SUP的CBC/DAD多層蛋白功能超薄膜應(yīng)用于海水提鈾

  團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這種全蛋白質(zhì)層層組裝的方法拓展到非生物基的材料（比如硅膠）的表面功能化。他們?cè)诠枘z表面實(shí)現(xiàn)了全蛋白質(zhì)層層組裝，并仔細(xì)研究了材料吸鈾的能力，發(fā)現(xiàn)其吸鈾容量和效率均與硅膠表面的蛋白質(zhì)層數(shù)與含量線性相關(guān)。更有趣的是，在多層膜中，不僅內(nèi)層膜在結(jié)合鈾酰離子方面和外層一樣有效，多層結(jié)構(gòu)之間的SUP還可以起到一定的協(xié)同作用，促進(jìn)鈾酰離子的結(jié)合效率。同時(shí)，由于多層膜結(jié)構(gòu)的存在，即使經(jīng)過多次吸鈾循環(huán)，該材料的性能并沒有太大損失。該工作利用正交的蛋白反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了全蛋白質(zhì)層層組裝，為有效結(jié)合蛋白質(zhì)和非生物基材料的功能提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的平臺(tái)，其應(yīng)用示例使用含有SUP的蛋白質(zhì)功能薄膜實(shí)現(xiàn)了從含有極微量鈾酰離子（10 nM）的海水中高效提取鈾，有望為解決海水提鈾這一公認(rèn)的、可改變世界的七大化學(xué)分離挑戰(zhàn)提供新的解決思路，并可能被拓展到一系列其他的應(yīng)用領(lǐng)域，比如酶工程和生物傳感器等。

  以上成果發(fā)表在Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00190）上，論文的第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院與東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生張雪健，通訊作者為張文彬研究員和楊曙光教授。香港科技大學(xué)的孫飛教授和北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系的劉春立教授亦參與了該合作研究。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.8b00190