蛋白絲
關注創建者：你吃派嗎 創建時間：2018-11-20
蛋白絲的實例教程
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https://doi.org/10.1016/j.giant.2020.100021
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展開 據美國物理學家組織網近日報道，美國科學家首次從頭開始，設計和制造出自組裝蛋白絲。這些蛋白絲是相同的蛋白質亞基自發結合在一起形成的長的螺旋狀線狀結構。最新研究將有助科學家更好地了解天然蛋白絲的結構和力學特征，并制造出自然界中不存在的全新材料，包括媲美或超過蜘蛛絲強度的人造纖維，以及納米級電路等。
在自然界中，蛋白絲是活細胞中若干結構和運動部分以及許多身體組織的必要組成部分。這些結構和組織包括讓細胞形成特定結構的細胞骨架、協調細胞分裂的細胞微管，以及我們體內最常見的蛋白質——膠原蛋白等。
為設計出這種新蛋白絲，華盛頓大學醫學院生物化學教授戴維·貝克帶領的團隊使用了貝克實驗室開發的名為“羅塞塔”（Rosetta）的計算機程序，該程序可以通過蛋白的氨基酸序列預測其形狀。他們用“羅塞塔”設計出了一種小蛋白，其表面有氨基酸，可使它們相互鎖定，從而自我組裝成螺旋狀的蛋白長絲。研究人員稱，借助這一方法，“我們最終能設計出可像樂高積木一樣拼合的蛋白質”。該成果已發表于《科學》雜志在線版。
論文第一作者、華盛頓大學醫學院講師喬治·法利亞斯說，新方法設計出的蛋白相對較小，僅由180至200個氨基酸組成，長度僅約1納米，但可組裝成長度超1萬納米的穩定長絲。研究還證明，通過修改設計出的蛋白在溶液中的濃度，并添加抑制蛋白結合能力的添加物，可驅動細絲生長或解散。
貝克說：“對細絲形成動力進行編程的能力將使我們深入了解自然界中的蛋白長絲如何組裝和解開。這些蛋白非常穩定，可作為易于修改的支架，應用于從新型診斷測試到納米電子設備等各種領域。”
新材料之新，在于它們往往擁有傳統材料所不擁有的一種或多種優異性能：耐高溫、耐高壓、抗輻射、自修復、超輕、超韌度等等。
展開 圖2 不同濕度環境處理下（a）絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜的力學性結構變化能與（b）內部結構變化；（c，d）所制備的納米纖維膜的黏附性能。
此外，所制備的納米纖維膜顯示出良好的阻燃性能。其在接觸火焰時無熔滴、無二次火焰產生，在離開火焰時不發生續燃。研究者進一步對所制備材料的熱學性能進行了分析，并解釋了其良好的阻燃性歸功于材料在接觸明火時的水分蒸發散熱、燃燒氛圍的不燃氣體稀釋、致密層助燃氣體隔絕以及引入鹵素的自由基淬滅效應（圖3）。
圖3 （a）絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜的阻燃性能測試；（b）材料的阻燃機理；（c）絲纖維、絲蛋白離子導體、絲蛋白/石墨烯離子導體纖維的TGA曲線；（ｄ）絲蛋白/石墨烯離子導體纖維與（e）絲蛋白纖維的TGA-MS曲線
根據所制備的絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜良好的阻燃及粘附性能，可將其貼附于物體表面實現火情下的阻燃防護（圖4a）。同時因所制備的納米纖維膜具有的良好的溫濕度變化響應性能，可將其接入電信號監測系統，在遇明火時實現火情抑制并迅速且穩定傳遞出特征信號，從而達到防護與預警同步的功能（圖4b）。由此開發了一套具有本地-云端-移動終端聯動的火情預警系統，材料可在接觸火焰后2s內迅速觸發報警機制，實現三終端同時報警的功能（圖4c-d）。此外，可將所制備的電子皮膚集成于機器人手部，在遇到火情刺激時激發機器人的自我保護機制，使其做出撤手等一系列規避危險的動作（圖4e-f）。
展開 美國自然歷史博物館蜘蛛絲基因學家Cheryl Hayashi認為，“我們仍無法在商店的貨架上看到這些東西。”
人們的夢想是仿制出蜘蛛吐出來的7種絲中最強韌的那種：能讓蜘蛛懸掛在網上并且含有7種蛛絲蛋白的牽引蛛絲。這些蛋白分子很大——每個最大有600千道爾頓（kDa），幾乎是普通人類蛋白大小的兩倍。這使其很難在經過基因改造的生物體內生產出來。公司大多選擇生產50 到200 kDa的版本，因為它們更容易被表達。這些較小的蛋白產生的絲通常沒有那么強韌和靈活。“從某個方面來說，隨著蛋白變小，機械性能便會喪失。”猶他州立大學化學家Randy Lewis表示。Lewis團隊最先克龍出蜘蛛絲基因。
與此同時，研究證實，模仿蜘蛛將濃縮蛋白液紡成纖維的方式也很困難。目前，Lewis能將蜘蛛絲蛋白紡成不溶于水的纖維，并且消除了對昂貴且可能有毒的有機溶劑的需求。由瑞典皇家理工學院流體物理學家Daniel S?derberg領導的團隊找到了一種利用木材和紙張中線性化的纖維素纖維來排列蜘蛛絲蛋白以形成纖維的方法。不過，在商業規模上將這些絲紡成纖維是另外一回事。“放大規模是一項巨大的挑戰。”位于德國慕尼黑的蜘蛛絲初創公司AMSilk首席科技官Lin R?mer表示。
蜘蛛絲蛋白已進入市場銷售，但只是在化妝品和醫療設備領域，而非應用到高強度的纖維中。AMSilk在大腸桿菌中生長出蜘蛛絲蛋白并且將純化的蛋白干燥，使其形成粉，或者將其混合進凝膠中，以便用作諸如保濕乳液等個人護理產品的添加劑。據稱，蜘蛛絲蛋白能幫助乳液在皮膚上形成非常順滑、透氣的保護層。R?mer介紹說，目前公司每年會賣出好幾噸純化的蜘蛛絲蛋白成分。
AMSilk還在完成一項包裹有該公司蜘蛛絲蛋白的硅膠乳房植入臨床試驗。由于這些蛋白含有高度重復的小氨基酸序列，因此據說它們幾乎不會被免疫系統發現。
展開 蛋白定量表征
(a) 使用紫外-可見分光光度計測定五種不同Gd2O3納米材料上吸收蛋白質的定量含量；
(b) 電泳分析洗脫的非特異性吸附蛋白質。
(c) 用SDS - PAGE定量分析吸附的牛血清白蛋白；
(d) BSA在納米線圈上吸附的示意圖
圖3. 與可變形納米線圈和其他四種形態固定納米材料一起孵育后的細胞形態
(a) 將MG - 63細胞與納米線圈、納米顆粒、納米三腳架、納米三角形和納米盤一起孵育12小時后，用鹽水作為對照的熒光圖像。圖示是MG - 63細胞的詳細形態(比例尺: 20 μm )。綠色代表肌動蛋白絲，藍色代表細胞核；
(b) 通過CCK - 8評估用不同Gd2O3納米材料培養的MG - 63的細胞活力；
(c) 與納米線圈、納米顆粒、納米三腳架、納米三角形和納米圓盤一起孵育后，caspase - 3的免疫熒光染色。caspase - 3用抗體(紅色和藍色)染色；
(d) 細胞凋亡通過caspase - 3的光密度統計來評估；
(e) 顯示超薄納米線圈的細胞內吞作用的示意圖和共聚焦圖像:紅色熒光信號代表RhB共軛納米線圈；綠色是細胞骨架，藍色代表細胞核；
(f) 顯示超小顆粒細胞內吞作用的示意圖和共聚焦熒光圖像；
圖4.
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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。
圖3 （a）絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜的阻燃性能測試；（b）材料的阻燃機理；（c）絲纖維、絲蛋白離子導體、絲蛋白/石墨烯離子導體纖維的TGA曲線；（ｄ）絲蛋白/石墨烯離子導體纖維與（e）絲蛋白纖維的TGA-MS曲線
根據所制備的絲蛋白/石墨烯離子導體納米纖維膜良好的阻燃及粘附性能，可將其貼附于物體表面實現火情下的阻燃防護（圖4a）。
https://doi.org/10.1002/adma.202101005
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SFHIs由絲蛋白和鈣離子混合而成，鈣離子的吸水性允許SFHI在未封閉時與外界水蒸氣交互以平衡環境濕度，此時SFHI中的質子可以在相對濕潤時起到導電的作用。根據Grutthuss機制，水合質子傳輸時，質子無需獨自遷移至一端，而是發生共價鍵和氫鍵的轉換，形成接力式的傳遞。
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https://doi.org/10.1016/j.giant.2020.100029
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異氰酸酯（NCO）基團：紅色；氨基（NH2）：綠色；
B：表面功能化纖維的抗蛋白質（紅色）吸附熒光圖像；
C：用RGDS（一種促進細胞粘附的肽）功能化的電紡納米纖維與人皮膚成纖維細胞（核：藍色；肌動蛋白絲：紅色）共培養的熒光和光學圖像。
圍繞動物絲蛋白材料方向，主要開展蜘蛛絲和蠶絲的仿生紡絲、喂食法規模化制備功能蠶絲、基于絲素蛋白的生物醫用材料三個方面的研究。先后承擔家重點研發計劃、國家自然科學基金（7項，其中主持4項）、上海市教委科研創新重點項目等項目20余項。曾獲上海市、教育部等省部級二等獎3項，2018年香港桑麻紡織科技二等獎，發表SCI論文60余篇，申請專利43項，授權29項，參編專著2部。
據美國物理學家組織網近日報道，美國科學家首次從頭開始，設計和制造出自組裝蛋白絲。這些蛋白絲是相同的蛋白質亞基自發結合在一起形成的長的螺旋狀線狀結構。最新研究將有助科學家更好地了解天然蛋白絲的結構和力學特征，并制造出自然界中不存在的全新材料，包括媲美或超過蜘蛛絲強度的人造纖維，以及納米級電路等。
在自然界中，蛋白絲是活細胞中若干結構和運動部分以及許多身體組織的必要組成部分。
作為蠶絲多級結構的基礎構筑單元，絲素納米纖維對人造蜘蛛絲等高性能絲蛋白材料的設計和構筑尤其重要。張耀鵬教授團隊利用氫氧化鈉/尿素水溶液體系，在低溫下將蠶絲逐級剝離為厚度約0.4納米、寬度約27納米的蠶絲納米纖維帶。這也是目前為止世界最薄的絲素納米纖維帶，其厚度僅為絲素蛋白的單分子層厚度，與單層石墨烯厚度相當。該納米纖維帶主要由天然蠶絲中原生的β-折疊片層、無規線團以及α-螺旋構象構成。
綠色代表肌動蛋白絲，藍色代表細胞核；
(b) 通過CCK - 8評估用不同Gd2O3納米材料培養的MG - 63的細胞活力；
(c) 與納米線圈、納米顆粒、納米三腳架、納米三角形和納米圓盤一起孵育后，caspase - 3的免疫熒光染色。
