我校物质学院材料与物理生物研究部钟超课题组利用细菌生物被膜淀粉样蛋白的鲁棒性和可基因编程的特征，开发出了新一代的多功能蛋白材料图案化布阵技术。近日，该成果在国际知名学术期刊《Nano Letters》以“Patterned Amyloid Materials Integrating Robustness and Genetically Programmable Functionality”为题在线发表。
利用蛋白质分子作为基本构筑材料、通过理性设计和微纳加工制备出的图案化结构或材料，已被证明在生物光子、生物电子、生物传感、生物医学和组织工程等诸多领域有重要应用。然而现有蛋白图案化材料的应用却往往受限于其在恶劣环境下的不耐受性，同时当前图案化蛋白材料的应用尚未充分利用其功能可被基因工程编程的特点。在自然界中，细菌生物被膜能在恶劣环境下实现界面粘附并维系自身必要的生长。以大肠杆菌生物被膜为例，当细菌以生物被膜的形式存在时，细菌的极端环境耐受性要大大增强，而在其中起着至关重要的是一种CsgA纳米纤维（图1）。CsgA纳米纤维由CsgA单体蛋白自组装而成，它富含β-折叠结构，是一种典型的淀粉样蛋白，具备极强的环境耐受性（例如可以耐高低温、酸碱溶液、有机溶剂以及一定的机械摩擦）。此外，利用基因工程可以实现CsgA单体蛋白的功能化修饰，即功能化的短肽和蛋白功能域能够融合在CsgA单体蛋白上，同时融合的蛋白在保持原有功能的基础上又不影响CsgA蛋白本身自组装形成纳米纤维的能力。基于这些特点，钟超课题组提出利用CsgA纳米纤维作为基本构筑单元，构建新一代的兼具耐受和功能可调节的图案化蛋白材料。
在课题初期阶段的尝试中，研究人员发现CsgA纳米纤维的极强环境稳定性导致其不能完全溶于水，从而很难利用水溶液体系加工出高精度的图案化结构。为解决上述难题，课题组巧妙地利用了六氟异丙醇 (HFIP) 作为极性溶剂对其进行溶解，并将富含蛋白单体的HFIP溶液作为墨水，利用软刻蚀进行图案化加工，再结合甲醇进行蛋白的原位复性，最后得到结构稳定的蛋白图案。在具体实验中，研究人员首先利用软刻蚀方法加工出了基于CsgA纳米纤维的蜘蛛网图案，并表征了图案化结构具备着从原子级别到厘米级别的多级有序性（图2）。其次，以平行线阵列为代表性图案化结构，研究人员利用原子力显微镜等技术证实了CsgA纳米纤维图案在一系列的稳定性测试中展现出极强的化学、热和机械耐受性。
此外，研究人员利用类似的软刻蚀技术设计并加工了基于基因工程改造的功能化CsgA纳米纤维图案，实验证实最后所得图案化材料在经过一系列加工步骤后，其短肽和蛋白功能域的功能都得以保留。基于这样的特点，蛋白图案被赋予特定的功能，从而获得了若干的特殊应用。
本研究特别设计了基于CsgAHistag图案的量子点锚定，基于CsgASpyTag和CsgASnoopTag图案的荧光蛋白修饰以及基于CsgACBD和甲壳素纤维的分子复合结构，并将最后所得的图案化材料相应地应用在场效应晶体管、荧光蛋白阵列以及可用于三维哺乳细胞培养的自支撑多孔网络支架材料（图3）。
这项基于超稳定淀粉样蛋白的图案化加工技术可推动生物纳米、生物材料、生物制造等多领域的创新。事实上，随着生物技术的发展，理论上各种功能基团都能够被展示在CsgA纳米纤维图案上，因此，这些具有可基因编程特征的图案化材料有望在光学、电子学、组织工程、生物医药等多领域中找到相应的应用。
本文第一作者为上科大物质学院2015级博士生李颖风，2017级博士生李柯为共同第一作者，通讯作者为上科大物质学院材料和物理生物学研究部钟超研究员，上科大为第一完成单位。课题在开展过程中，得到了香港城市大学王钻开教授、华东师范大学叶海峰教授及其课题组成员的帮助。上科大物质学院分析测试平台和电镜中心为材料表征给予了大力支持。该研究得到了上海市科委基金、上海市教委曙光计划及国家自然科学基金委的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02324
图1 图案化淀粉样蛋白材料的加工过程
图2 CsgA纳米纤维多级多尺度蜘蛛网图案
图3 仿生自支撑图案化结构用于细胞培养