由化石燃料生產的聚合材料與20世紀工業活動的發展密切相關，但這些材料的制造和處置帶來了巨大的可持續挑戰。因此，迫切需要以更可持續的方式生產且其降解產物對環境無害的材料。天然生物聚合物，在性能上可以與合成聚合物競爭，有時甚至超過合成聚合物。其中，基于蛋白質的材料是一類應用十分廣泛的可持續材料。

基于此，來自芬蘭國家技術研究中心的Pezhman Mohammadi以及南洋理工大學的Ying Yu、Ali Miserez團隊共同 對基于蛋白質的材料進行了全面綜述。 作者從歷史的角度開始這篇綜述，了解早期為獲得承載蛋白的主要序列所做的努力，然后是測序和蛋白質組學技術的最新發展，這些技術極大地加速了細胞外蛋白的測序。接下來，作者介紹了四大類蛋白質材料，即纖維材料、具有高可逆變形能力的生物彈性體、硬塊狀材料和生物粘合劑。在每一節中都專注于一級和二級結構級別的設計，并討論它們與機械響應的相互作用（圖1）。

相關綜述論文以“Protein-Based Biological Materials: Molecular Design and Artificial Production”為題于2023年1月24日發表在《Chem. Rev.》上。

 

圖1 蛋白質基生物材料的分子設計和人工生產

1. 細胞外蛋白質的測序：歷史視角

在過去十年中，下一代測序(NGS)和蛋白質組學技術及其相關生物信息學軟件的快速發展大大緩解了這些限制，提供了一系列加速發現的強大工具，尤其是在協同使用時。雖然這些先進的方法占據了蛋白質發現的中心舞臺，但仍然需要傳統的生化和分子生物學方法來識別調節蛋白質材料最終功能的重要分子特征，例如PTM或交聯化學。一旦獲得這些信息，再加上對序列-特性關系的深入了解，就可以將其轉化為通過DNA重組技術人工制造基于蛋白質的材料。 本節重點介紹了四種細胞外纖維和彈性蛋白材料，它們舉例說明了完全識別其端到端序列所需的廣泛時間線，即：(i)節肢彈性蛋白，(ii)彈性蛋白，(iii)絲素蛋白，和(iv)貽貝粘附蛋白（圖1）。

 

圖2 承載蛋白的時間軸

在21世紀初，下一代測序(NGS)方法是另一個技術飛躍，極大地促進了基因組和轉錄組的研究。在NGS技術中，RNA測序(RNA-seq)在加速仿生研究的分子發現方面產生了重大影響。 簡而言之，在最新發展中，mRNA是從特定組織或單個細胞中提取的，然后通過逆轉錄酶(RT)構建cDNA庫，然后片段化為 30-400 個堿基對長的小讀數（取決于特定的測序設備），在兩端添加通用適配器。或者可以在RT之前首先對分離的mRNA進行片段化，然后在高通量測序儀上對每個短cDNA讀數進行測序（圖3）。

 

圖3 獲得完整承重結構蛋白序列的總體方法

2. 天然蛋白質基材料的分子設計

作者在此部分重點描述了基于蛋白質的材料的基本分子設計，重點是序列/結構特性關系以及常見的生化和結構特征，所介紹的材料是根據它們的結構功能進行組織的，并說明了基于蛋白質的材料利用多肽處理的整個二級結構譜。

作者介紹的四種主要的蛋白質材料，分別是纖維材料（圖4）、具有高可逆變形能力的生物彈性體（圖5）、硬體材料（圖6）和生物粘合劑（圖7）。在每節作者將重點放在一級和二級結構水平的設計上，并討論它們與力學響應的相互作用。

 

圖4 纖維蛋白材料

 

圖5 生物彈性蛋白材料

 

圖6主要由蛋白質制成的堅硬散裝材料

 

圖7 生物粘附蛋白

3. 蛋白質基材料的生物工程

在此部分，作者綜述了蛋白質基材料的生物工程制造，比較了用于生物制造的不同類型的活體宿主，包括它們各自的主要優點/缺點和當前的局限性。同時也描述了純化方法，因為在許多情況下它仍然是蛋白質基材料放大的瓶頸。

氣溶膠、靜電紡絲、浸沒、微流體、光刻等各種制造方法已被用于制造長度尺度從納米到毫米的材料，包括具有潛在醫療和工業應用的納米球、無紡納米纖維、復合材料、薄膜、纖維、粘合劑、水凝膠和氣凝膠（圖8）。

 

圖8 生物技術生產的蜘蛛絲蛋白的多種材料應用

由于從貽貝中提取天然貽貝足蛋白的純化程序復雜且成本高，因此開發了各種重組生產貽貝足蛋白（rMFP）的方法。此外，彈性蛋白的主要生理功能是在組織終生反復收縮和伸展后保持結構穩定性。然而，一些關鍵重復基序的重組生產的流行為研究基本結構-功能關系提供了另一種方法。從這些重復中汲取靈感，導致了稱為ELP的新型蛋白質的生物合成，ELPs為許多醫學和技術創新做出了貢獻。

4. 展望和結論

合成聚合物以化石燃料為基礎，其較差的降解性和普遍缺乏可回收性正在對我們的生態系統造成嚴重危害。因此，迫切需要開發更可持續的解決方案來緩解這些問題。在試圖復制天然蛋白質基材料之前，第一個重要的步驟是確定蛋白質結構單元的完整序列。由于NGS和蛋白質組學的技術突破，現在有可能在更短的時間內對結構蛋白進行測序。 生物世界中存在多種天然蛋白質基材料，盡管并非詳盡無遺，但本綜述中介紹的模型生物系統代表了自然界中發現的主要承重材料類別，包括剛性或可延展(生物彈性體)纖維、粘合劑和散裝材料。

為了復制生物制品處理細胞外物質的綠色化學原理，未來幾年至關重要的是闡明結構前體蛋白如何在細胞外環境中分泌并運輸到它們的最終目的地；它們如何與成熟結構的其他構建塊（其他蛋白質、多糖、金屬離子和礦物質）特異性相互作用；以及它們最終如何化學穩定以構建堅固的材料。需要仔細研究多個長度尺度，包括細胞內水平（不同的囊泡分泌特定的蛋白質）、前體蛋白質集中的腺體組織并受到各種微環境（pH值、離子強度等）、條件和/或機械應力，以及沉積過程中的組織水平。

此外，為了以具有成本效益、高效和可持續的制造方式提供下一代生物聚合物，生物加工方法還需要巧妙地將高通量篩選平臺與使用先進微型反應器進行過程優化的自動化互連起來。

文章來源：

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