上海科技大學鐘超課題組開發出基因可編程淀粉樣蛋白功能塗層材料

上海科技大學鐘超課題組在新型蛋白塗層方面取得重要研究進展,相關成果以“Conformable self-assembling amyloid protein coatings with genetically programmable functionality”為題,近日在國際知名學術期刊《Science Advances》上在線發表。

材料的表面改性在電子、生物醫藥、催化、紡織等工程和技術領域中扮演著重要的角色。

塗層材料的使用是一種常見的材料表面改性技術。目前較為常見的塗層材料包括:聚電解質、蛋白、聚多巴胺聚多酚等。然而上述材料或多或少在共形性、普適性、穩定性等方面的缺陷,因此應用受到限制。

生物大分子類(例如多糖、多肽、短肽或蛋白等)塗層材料因其較好的生物相容性、生物降解性和環境友好性而得到瞭廣泛的關註。

在自然界中,細菌依靠生物被膜牢固的依附在各種基底表面。以前的研究表明大腸桿菌的生物被膜富含CsgA淀粉樣蛋白納米纖維,這些纖維保證瞭生物被膜的機械強度、結構完整性以及基底粘附性(圖1)。

此外,近年來相關的研究表明,CsgA蛋白具備基因可編程性:即利用基因模塊化策略可將功能性多肽或者蛋白功能域融合到CsgA蛋白上,且不影響蛋白自組裝形成納米纖維。

上海科技大學鐘超課題組開發出基因可編程淀粉樣蛋白功能塗層材料
圖1.大腸桿菌生物被膜示意圖

基於此,鐘超課題組提出瞭基於大腸桿菌生物被膜CsgA蛋白的基因可編程功能塗層材料平臺。通過簡單的溶液浸泡方式,即可以將該塗層材料應用在多種材料基底(高分子、金屬氧化物和無機非金屬等)和不同形狀的界面上(平面,曲面,纖維和微流體孔道等)(圖2)。進一步通過基因工程技術,該塗層又可被賦予獨特的功能,例如固定功能蛋白,錨定納米顆粒等功能。此外,CsgA蛋白具備淀粉樣蛋白的穩定結構結構,因此這類塗層材料對有機試劑和高溫具有較好的耐受性。

上海科技大學鐘超課題組開發出基因可編程淀粉樣蛋白功能塗層材料
圖2.CsgASpyTag/CsgASnoopTag納米纖維塗層應用於微顆粒表面

最後,針對這類塗層材料的應用方法簡單和功能靈活多樣等特點,課題組提出瞭一系列新穎的應用,包括導電塗層、觸摸開關、多酶固定、微流體檢測芯片等(圖3和4)。本文開發的基於基因可編程自組裝淀粉樣蛋白塗層有望應用於電子、生物催化、生物醫藥等,並為設計、實現新型塗層加工技術以及開發新型塗層材料提供瞭靈感與借鑒。

上海科技大學鐘超課題組開發出基因可編程淀粉樣蛋白功能塗層材料
圖3 基於CsgAHis-tag塗層的圖案化金電極應用於觸摸開關
上海科技大學鐘超課題組開發出基因可編程淀粉樣蛋白功能塗層材料
圖4 基於CsgADBD塗層的微流體細菌檢測芯片

本文第一作者為上科大物質學院2015級博士生李穎風,2017級博士生李柯為共同第一作者,通訊作者為鐘超研究員,上科大為第一完成單位。上科大物質學院分析測試平臺和電鏡中心為材料表征給予瞭大力支持。該研究得到瞭國傢自然科學基金委以及上海市科委基金、上海市教委曙光計劃等項目的支持。

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