Sci Adv亮点丨从蛋白相分离中获得启示
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Sci Adv亮点丨从蛋白相分离中获得启示，钟超组开发出基于哺乳动物低复杂序列蛋白的超强水下粘合材料
本文转载自Bio Art, 责编丨酶美 改编经文章作者同意
近年来，生物科学家认为哺乳动物细胞中广泛存在着液液相分离（LLPS）现象，细胞内的蛋白分子可以通过液液相分离形成具有特殊功能的液态凝结物（liquidcondensates）【1-3】。很多时候因为蛋白分子的突变，液态凝结物会进一步形成和神经退行性疾病或其他疾病相关的病理性淀粉样蛋白纤维；但是形成淀粉样蛋白纤维并不一定是病理学的先兆【4】。实际上，很多生物大分子，例如中心体【5】，Balbiani体【6】和核淀粉体（A体）【7】，可以通过LLPS形成区室化无膜细胞器并随后经过液固相转变的可逆组装过程来调控细胞内的生理活动。尽管这种顺序自组装（sequential assemblies）在生物学领域的重要性逐渐被发现并认可，但是从生物工程角度利用这种顺序自组装，特别是将其集成到分子材料设计研究方面却几乎很少探索。从上述细胞内结构的顺序自组装获取灵感，上海科技大学的钟超课题组利用液液相分离以及液固相转变过程，开发了一种新型的超强水下蛋白粘合材料。该成果于2019年8月23日在 Science Advances 上以题为“Exploiting mammalian low-complexity domains for liquid-liquid phaseseparation–driven underwater adhesive coatings”的论文在线发表（图1），该成果为在生物工程和生物材料领域开发和利用基于哺乳动物低复杂序列的液液相分离现象提供了重要的启示。
海洋生物分泌的粘合分子材料其水下粘合性能往往和粘合分子本身所经历的一系列动态加工和自组装过程息息相关。而当前仿生水下粘合材料的设计大多只考虑自然界中生物粘合剂的分子和结构特征，并没有针对自然粘合分子材料的自组装过程进行仿生，这在很大程度上限制了强力水下粘合材料的开发和应用。上海科技大学物质学院材料和物理生物部钟超课题组从生物学家对细胞内液液相分离行为的研究中获得灵感，提出利用液液相分离形成的凝结体具有水下强吸附特点并结合淀粉样蛋白纤维结构的内在粘合特征，设计了由液液相分离和液固相转变自组装驱动的超强水下粘合材料，将哺乳动物细胞中的低复杂序列蛋白【8】首次应用于可控的功能生物材料领域。
在蛋白设计环节中，该课题组采用了哺乳动物细胞中TDP-43的低复杂结构域（TLC），同时为了获得强大的水下粘性，该团队进一步融合了来源于海洋生物贻贝的超强足丝粘合蛋白 Mfp5（Mfp5 是使贻贝牢固结合在海底岩石上的主要界面蛋白之一），最后构建成融合蛋白 TLC-M。研究表明 TLC-M 在低温下会形成蛋白浓度很高的液态凝结体，非常利于界面吸附，同时 TLC-M 经过液固相转变自组装形成淀粉样蛋白纤维，从而最终形成水下粘性涂层材料（图2）。
图2，基因模块化构建水下粘性材料 TLC-M，利用来源于生物灵感的液液相分离行为吸附在基底表面，并自组装形成纳米纤维涂层。
研究中作者们发现 TLC-M 在低温下易发生液液相分离形成液态凝结体，得益于极低的表面能，该液态凝结体很容易吸附在基底表面，并且层层吸附最后使基底表面完全覆盖大量的粘合蛋白。而在随后的组装过程中 TLC-M 液态凝结体能进一步脱水组装成致密的淀粉样蛋白纤维网路，因为纤维网络的高比表面积以及纤维表面存在大量的粘合基团，因此形成的粘合涂层能够牢固地吸附在界面上而不被外力冲散或溶解（图3）。
图3，重组粘合蛋白 TLC-M 液液相分离和液固相转变自组装过程的表征作者还利用原子力显微镜球形探针技术表征了这种超强粘合材料的水下粘性。在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中的酪氨酸部分转化成多巴，最后形成的粘性涂层材料其最强粘合能达到 48.1 mJ/m2 （是目前基于蛋白分子的最强粘合材料），由于该蛋白分子的顺序自组装驱动力来源于自身蛋白的核心 α-helix结构及其周围的疏水残基相互作用，因而粘合材料可以在高盐浓度（< 1M）和较宽pH范围（3 - 5）的湿润或者液体环境中制备或应用。作者还使用了QSense Pro石英晶体微天平仪器，对1 mg/mL的TLC-M 溶液分别在4°C和25°C背景温度下，在金芯片表面的吸附量进行了研究对比（Fig G, top）。并采用ΔD/ΔF曲线作图（Fig G, bottom），研究吸附物质的软硬程度：高的ΔD/ΔF意味着表面吸附了一层较为柔性的材料，低ΔD/ΔF说明表面吸附结构更趋于刚性。此外，由于 TLC-M 具有液体特征，有良好的流动性，因而这种蛋白不仅可在不同的表面形成涂层，还可以被注射到微管或者微流控管道中等非规则的三维界面形成均匀的涂层，为实现涂层的广泛用途提供了便利。最后，作为水下粘合的一个重要展示，作者还利用 TLC-M 蛋白的粘性，将该粘合蛋白和聚苯乙烯小球混合后被证明可以用于特氟龙材料裂缝的填补，初步证明了该粘性材料的应用潜力（图4）。
图4，TLC-M 粘合材料的应用这项仿生水下粘合蛋白分子研究中，作者除了在分子结构方面试图模仿大自然的杰作外，还增添了针对海洋生物粘合剂液液相分离和粘合固化等动态组装过程的仿生。此项研究推动了对自然界中海洋生物粘合剂的分泌、自组装以及粘合等动态过程的理解，同时还表明低复杂结构域的液液相分离和固液相转变可以作为一种新的工程原理来指导基于蛋白质材料和其他生物启发系统的设计。值得一提的是，最近有研究在海洋生物藤壶分泌的粘合原纤维蛋白质中也发现了低复杂结构域，该结构域的作用可能有助于在粘合剂沉积之前形成液液相分离的液态凝结物【9】。这些研究发现以及本研究的结果表明低复杂结构域的液液相分离和固液相转变可能是构建自然界细胞结构和生物材料的通用准则之一。液液相分离是近年来生物学领域的热门研究方向，生物学家已在一定程度上理解了生物分子液液相分离机理和潜在的生物学功能和意义；本项研究创新性地将其应用于生物材料领域，制备了超强的仿生水下粘合材料。该研究因此为生物工程和材料工程的创造性思维打开了大门，使大家能够看到这些低复杂结构域的液液相分离和固液相转变如何应用于解决材料科学中的基本问题。据悉，本文第一作者为上科大物质学院 2016 级博士生崔孟奎，通讯作者为上科大物质学院材料和物理生物部钟超研究员。课题在开展过程中，得到了中科院上海有机所生物化学交叉中心刘聪教授，吉林大学张俊虎教授及其课题组成员的帮助。电子显微镜和原子力显微镜表征分别获得上科大物质学院电镜中心和分析测试平台的帮助。与本论文相关的工作已申请国际专利（PCT/CN2018/101219）。
原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/advances/5/8/eaax3155.full.pdf
制版人：小娴子
参考文献
本文转载自Bio Art, 责编丨酶美 改编经文章作者同意
近年来，生物科学家认为哺乳动物细胞中广泛存在着液液相分离（LLPS）现象，细胞内的蛋白分子可以通过液液相分离形成具有特殊功能的液态凝结物（liquidcondensates）【1-3】。很多时候因为蛋白分子的突变，液态凝结物会进一步形成和神经退行性疾病或其他疾病相关的病理性淀粉样蛋白纤维；但是形成淀粉样蛋白纤维并不一定是病理学的先兆【4】。实际上，很多生物大分子，例如中心体【5】，Balbiani体【6】和核淀粉体（A体）【7】，可以通过LLPS形成区室化无膜细胞器并随后经过液固相转变的可逆组装过程来调控细胞内的生理活动。尽管这种顺序自组装（sequential assemblies）在生物学领域的重要性逐渐被发现并认可，但是从生物工程角度利用这种顺序自组装，特别是将其集成到分子材料设计研究方面却几乎很少探索。从上述细胞内结构的顺序自组装获取灵感，上海科技大学的钟超课题组利用液液相分离以及液固相转变过程，开发了一种新型的超强水下蛋白粘合材料。该成果于2019年8月23日在 Science Advances 上以题为“Exploiting mammalian low-complexity domains for liquid-liquid phaseseparation–driven underwater adhesive coatings”的论文在线发表（图1），该成果为在生物工程和生物材料领域开发和利用基于哺乳动物低复杂序列的液液相分离现象提供了重要的启示。
海洋生物分泌的粘合分子材料其水下粘合性能往往和粘合分子本身所经历的一系列动态加工和自组装过程息息相关。而当前仿生水下粘合材料的设计大多只考虑自然界中生物粘合剂的分子和结构特征，并没有针对自然粘合分子材料的自组装过程进行仿生，这在很大程度上限制了强力水下粘合材料的开发和应用。上海科技大学物质学院材料和物理生物部钟超课题组从生物学家对细胞内液液相分离行为的研究中获得灵感，提出利用液液相分离形成的凝结体具有水下强吸附特点并结合淀粉样蛋白纤维结构的内在粘合特征，设计了由液液相分离和液固相转变自组装驱动的超强水下粘合材料，将哺乳动物细胞中的低复杂序列蛋白【8】首次应用于可控的功能生物材料领域。
在蛋白设计环节中，该课题组采用了哺乳动物细胞中TDP-43的低复杂结构域（TLC），同时为了获得强大的水下粘性，该团队进一步融合了来源于海洋生物贻贝的超强足丝粘合蛋白 Mfp5（Mfp5 是使贻贝牢固结合在海底岩石上的主要界面蛋白之一），最后构建成融合蛋白 TLC-M。研究表明 TLC-M 在低温下会形成蛋白浓度很高的液态凝结体，非常利于界面吸附，同时 TLC-M 经过液固相转变自组装形成淀粉样蛋白纤维，从而最终形成水下粘性涂层材料（图2）。
图2，基因模块化构建水下粘性材料 TLC-M，利用来源于生物灵感的液液相分离行为吸附在基底表面，并自组装形成纳米纤维涂层。
研究中作者们发现 TLC-M 在低温下易发生液液相分离形成液态凝结体，得益于极低的表面能，该液态凝结体很容易吸附在基底表面，并且层层吸附最后使基底表面完全覆盖大量的粘合蛋白。而在随后的组装过程中 TLC-M 液态凝结体能进一步脱水组装成致密的淀粉样蛋白纤维网路，因为纤维网络的高比表面积以及纤维表面存在大量的粘合基团，因此形成的粘合涂层能够牢固地吸附在界面上而不被外力冲散或溶解（图3）。
图3，重组粘合蛋白 TLC-M 液液相分离和液固相转变自组装过程的表征作者还利用原子力显微镜球形探针技术表征了这种超强粘合材料的水下粘性。在酪氨酸酶催化作用下 TLC-M 分子中的酪氨酸部分转化成多巴，最后形成的粘性涂层材料其最强粘合能达到 48.1 mJ/m2 （是目前基于蛋白分子的最强粘合材料），由于该蛋白分子的顺序自组装驱动力来源于自身蛋白的核心 α-helix结构及其周围的疏水残基相互作用，因而粘合材料可以在高盐浓度（< 1M）和较宽pH范围（3 - 5）的湿润或者液体环境中制备或应用。作者还使用了QSense Pro石英晶体微天平仪器，对1 mg/mL的TLC-M 溶液分别在4°C和25°C背景温度下，在金芯片表面的吸附量进行了研究对比（Fig G, top）。并采用ΔD/ΔF曲线作图（Fig G, bottom），研究吸附物质的软硬程度：高的ΔD/ΔF意味着表面吸附了一层较为柔性的材料，低ΔD/ΔF说明表面吸附结构更趋于刚性。此外，由于 TLC-M 具有液体特征，有良好的流动性，因而这种蛋白不仅可在不同的表面形成涂层，还可以被注射到微管或者微流控管道中等非规则的三维界面形成均匀的涂层，为实现涂层的广泛用途提供了便利。最后，作为水下粘合的一个重要展示，作者还利用 TLC-M 蛋白的粘性，将该粘合蛋白和聚苯乙烯小球混合后被证明可以用于特氟龙材料裂缝的填补，初步证明了该粘性材料的应用潜力（图4）。图4，TLC-M 粘合材料的应用这项仿生水下粘合蛋白分子研究中，作者除了在分子结构方面试图模仿大自然的杰作外，还增添了针对海洋生物粘合剂液液相分离和粘合固化等动态组装过程的仿生。此项研究推动了对自然界中海洋生物粘合剂的分泌、自组装以及粘合等动态过程的理解，同时还表明低复杂结构域的液液相分离和固液相转变可以作为一种新的工程原理来指导基于蛋白质材料和其他生物启发系统的设计。值得一提的是，最近有研究在海洋生物藤壶分泌的粘合原纤维蛋白质中也发现了低复杂结构域，该结构域的作用可能有助于在粘合剂沉积之前形成液液相分离的液态凝结物【9】。这些研究发现以及本研究的结果表明低复杂结构域的液液相分离和固液相转变可能是构建自然界细胞结构和生物材料的通用准则之一。液液相分离是近年来生物学领域的热门研究方向，生物学家已在一定程度上理解了生物分子液液相分离机理和潜在的生物学功能和意义；本项研究创新性地将其应用于生物材料领域，制备了超强的仿生水下粘合材料。该研究因此为生物工程和材料工程的创造性思维打开了大门，使大家能够看到这些低复杂结构域的液液相分离和固液相转变如何应用于解决材料科学中的基本问题。据悉，本文第一作者为上科大物质学院 2016 级博士生崔孟奎，通讯作者为上科大物质学院材料和物理生物部钟超研究员。课题在开展过程中，得到了中科院上海有机所生物化学交叉中心刘聪教授，吉林大学张俊虎教授及其课题组成员的帮助。电子显微镜和原子力显微镜表征分别获得上科大物质学院电镜中心和分析测试平台的帮助。与本论文相关的工作已申请国际专利（PCT/CN2018/101219）。原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/advances/5/8/eaax3155.full.pdf
制版人：小娴子
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