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江南大學吳俊俊教授團隊 Adv. Mater.:超強細胞修復蛋白 - 超分子彈性蛋白的合成生物學設計與制造
2023-11-01  來源:高分子科技

  蛋白多肽,是生物體內至關重要的組成部分,它在各種生命活動中起著至關重要的作用,具有抗衰老、抗氧化、抗過敏、抗微生物、抗血栓及促進細胞活性等營養和生物學功能。同時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,具有廣闊的應用前景,因而受到科研界廣泛關注。


  從動物組織直接提取功能蛋白面臨成分復雜、單體分離較難、提取工藝復雜、成本昂貴、批次質量不穩定、蛋白難以溶解(膠原蛋白在強酸下才能溶解)等難題,并且存在攜帶病毒、病原體等安全隱患。因此,通過構建綠色、高效的微生物細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。目前國內重組蛋白市場巨大,僅重組膠原蛋白市場規模在2022年就已增至185億元。但多數生物活性蛋白如膠原蛋白需要形成穩定的超分子結構才能有著較好的生物活性,目前國內外主要以生產膠原蛋白片段為主,結構、活性完整的功能蛋白生產仍然是業內難題。


  近日,江南大學生物工程學院吳俊俊教授課題組聯合周景文教授、陳堅院士團隊在國際權威期刊《Advanced Materials》(影響因子:29.400)上發表題為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的學術論文。該研究通過將合成生物學與計算生物信息學、超分子化學、納米技術進行多學科交叉融合,首次創造出的超強細胞修復蛋白——超分子彈性蛋白效果優于目前所有商業化重組蛋白,這是目前唯一的一款同時具有大分子透明質酸、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。該蛋白同時具有活性位點外露的超分子結構(有利于蛋白活性的發揮)、強大保水特性、低分子量易吸收(保水特性好于目前的大分子透明質酸,僅僅1%的濃度即可形成水凝膠,但分子量小(幾百萬道爾頓 vs 幾萬道爾頓))、具備強效水下黏附特性(黏附效果優于貽貝蛋白,有利于蛋白持續發揮作用)、促進細胞粘附、增殖和分化、促進細胞損傷修復(修復效果優于目前的三型膠原蛋白和層粘黏蛋白)等優良特性,因而具有超強的細胞修復能力。


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行全面系統的研究,進而優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構,并投入到工業應用中。目前采用的蛋白自組裝方法多為化學合成的雙親短肽,成本高昂(20mg/1200元),難以工業化應用。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境中(純水、PBSDMEM培養基)自組裝成為具有超分子結構的納米短肽,進而形成超分子水凝膠。 


本文研發的超分子自組裝機制可使得任意重組蛋白均可形成具有超分子結構的納米纖維,進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.如何獲得具有穩定超分子結構的功能蛋白一直為業界難題,當前多數功能蛋白如膠原蛋白或貽貝蛋白均需要通過酶學修飾獲得理想結構,不僅存在著成本高、效率低等問題,上述共價修飾還易導致蛋白活性位點發生變化進而影響其功能;本研究發現將超分子自組裝機制與彈性蛋白相結合,創造出的超分子彈性蛋白只需要通過靜置即可獲得穩定的超螺旋結構,并且本研究的超螺旋結構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構穩定以及活性提高等特性。 


本文研發的超分子彈性蛋白具有穩定的超分子結構(A),通過計算模擬發現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定性,還提高其活性

  3.本文創造的超分子彈性蛋白有著獨特的黏濕性特征,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用前景。 


3超分子彈性蛋白可作為強效、快速生物止血劑。A: 1 mg的超分子彈性蛋白可以輕松粘附起大鼠的各個器官;B: 10 mg的彈性蛋白可以粘附豬皮,強度約為1 MPaC: 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. 本文創造出的超分子彈性蛋白,同時具有大分子透明質酸、膠原蛋白、彈性蛋白、貽貝蛋白等各個明星分子的特性。這是目前唯一的一款同時具有強大持水特性、低分子量易吸收(持水特性好于目前的大分子透明質酸,但分子量小(幾百萬道爾頓 vs 幾萬道爾頓))、促進細胞粘附和活性、促進細胞損傷修復(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,具有極強的細胞修復特性。 


超分子彈性蛋白遇水即粘,在1%濃度時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的細胞粘附特性。將其涂抹于任何物體表面即可使得該物體成為優良的細胞培養材料,可以用于培養肌肉干細胞,促進細胞粘附和增殖。
 

超分子水凝膠不僅可以促進細胞粘附和增殖,還可以促進干細胞分化(A),實現細胞三維培養(C)
 

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

超分子彈性蛋白可替代手術縫合線促進線性傷口的修復和組織再生。

  寫在最后:一直以來合成生物學最大魅力被很多科學家證明可以生產世上諸多稀有物質,而我們覺得合成生物學不僅可以用來生產已有物質,更可以創造自然界中所沒有的、全新物質,如同當年化學創造出塑料一樣,將人類帶入現代文明。當前透明質酸、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現并加入應用,期待這款國產超分子彈性蛋白能夠以其具有的獨特特性而引領護膚美容、營養保健、細胞培養材料、生物止血、醫美注射、土壤肥料等各個行業的變革。


  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,江南大學生物工程學院教授,博士生導師,加州大學伯克利分校訪問學者(合作導師:合成生物學研究中心,美國工程院院士Jay Keasling),江南大學與華盛頓大學圣路易斯分校聯合培養博士,師從陳堅院士。先后獲得國家優秀青年基金、江蘇省杰出青年基金、江蘇省科協"青年科技人才托舉工程"培養對象、江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師等資助。擔任南京市微生物學會理事,南京市食品中級職稱委員會委員,國家自然科學基金通訊評審專家,Frontiers in Bioengineering and Biotechnology的評審編輯。主要從事通過整合交叉合成生物學、計算生物信息學、化學工程及材料學、納米學等多學科,構建微生物資源分析工作站、天然產物/人造新功能蛋白設計-高通量篩選與制造-功能驗證-規模化生產平臺,聚焦新一代功能食品、功能蛋白材料及蛋白藥物的大規模綠色生物智造核心技術。共主持國家級和省部級科研項目十余項,以第一作者/通訊作者身份在Advanced Materials、Nature communications、Metabolic Engineering等期刊發表多篇SCI論文。

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(責任編輯:xu)
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