《Nat. Commun.》：坚固的水下胶一e测试

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《Nat. Commun.》：坚固的水下胶

2023-09-01 17:28:51 0 146

一、研究背景

坚固稳定的水下胶粘剂在工业、生物医学领域以及日常生活中都有重要应用。然而，为干燥应用而开发的合成粘合剂在高湿度条件下往往表现不佳，因为它们倾向于与水而非材料表面相互作用。即使某些粘合剂系统能够穿透固体表面的水合层，但在长期应用过程中，固化胶的大部分会因水合和水分解而逐渐分解。与此相反，自然界中强大的水下粘附无处不在，从微观的细胞粘附力到宏观的海洋生物固定在外部宿主上的粘附力。受这些生物的启发，人们通过邻苯二酚基团、聚电解质组装体和超分子结构的奇妙融合，精心设计出一系列出色的水下粘附系统。大多数系统都存在成本高、原子经济性低、程序繁琐、邻苯二酚基团氧化以及膨胀导致粘附力下降等缺点。更重要的是，很少有基于蛋白质的粘合剂在水中的粘合强度和稳定性可与天然生物胶媲美。

藤壶粘合剂是为数不多的具有强水下附着力的蛋白质粘合剂之一，其强度可达兆帕水平。这种粘合剂的强度和稳定性是大多数合成胶水无法企及的。大量研究表明，藤壶粘合剂粘附的基本机制与蛋白质的 β-片状富集组装有关，这种蛋白质被称为淀粉样蛋白结构。因此，淀粉样蛋白结构被认为在开发坚固稳定的水下胶粘剂方面具有巨大潜力。淀粉样蛋白结构被认为参与了大肠杆菌和沙门氏菌等革兰氏阴性细菌生物膜的粘附，这一事实也支持了上述结论。然而，除了在藤壶胶结物和细菌中发现的某些与粘附有关的特殊蛋白质的淀粉样蛋白结构外，大多数经典的淀粉样蛋白组合物，如由常见蛋白质组装的传统淀粉样蛋白纤维，并不表现出水下粘附能力。例如，溶菌酶淀粉样纤维在裸金片上的吸附性仅为 65 ng/cm²，甚至远低于天然溶菌酶的吸附性（约 2000 ng/cm²）。因此，他们迫切需要阐明淀粉样蛋白介导的生物粘附机制，从而设计出一种直接的策略，将常见的商业蛋白质转化为坚固的水下胶水。然而，将普通蛋白质转化为坚固耐用的水下胶水有两个最大的挑战：(i) 如何突破水合层，使蛋白质与基质接触；(ii) 如何使这些水溶性蛋白质产生强大的内聚力，以抵抗水的溶解和溶胀效应。

二、研究成果

在这项研究中，陕西师范大学杨鹏教授团队发现淀粉样蛋白介导的生物粘附机制包括构象导向的粘附增强，从而将常见蛋白质转化为可靠的水下胶。基于这一原理，开发了一种简单的展开-聚合策略，使基于蛋白质的水下胶同时具有对表面的高亲和力和强大的内部凝聚力。具体来说，常见蛋白质通过裂解其原生二硫键而展开，并通过与稳定剂相互作用而稳定为单分子展开状态。与天然蛋白质相比，稳定后的未折叠蛋白质链有更多的功能基团向外暴露，链的自由度大大提高。因此，一旦通过与水的快速交换去除稳定剂，具有柔性链自由度的未折叠蛋白质就能通过沿蛋白质链暴露的官能团与表面充分相互作用。在这种情况下，通过形成淀粉样结构而导致强大内部凝聚力的蛋白质链之间的分子间相互作用，以及促进界面粘附的蛋白质链与表面之间的相互作用都会得到高度加强。根据这一规则，数十种常见蛋白质和含蛋白质的生物液体可转化为坚固的水下胶，具有前所未有的高粘附强度（比贻贝丝强约 20 倍）和稳定性（至少可在水下浸泡 2 年）。该系统成本低、原子经济性高、操作简单，而且具有强大而稳定的水下粘附力，因此可大大降低水下胶水的制造门槛。这一发现凸显了蛋白质构象控制在水下生物胶设计中的作用，而这一作用迄今尚未得到充分认识。相关研究工作以“Synthesis of robust underwater glues from common proteins via unfolding-aggregating strategy”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

三、图文速递

图1. 基于MD模拟的胰岛素展开聚集过程及其粘附行为

图2. 未折叠胰岛素与二氧化硅表面之间的相互作用（MD模拟）

基材表面存在稳定的水合层会对大多数粘合剂产生强大的排斥力。相反，未折叠的蛋白质在释放稳定剂（TFE）后可以扫除基底表面的水合层。MD 模拟中二氧化硅表面水合层的分布（图 2a）清楚地表明，在胰岛素链锚定在二氧化硅上之前，二氧化硅表面几乎完全被水分子覆盖。在胰岛素接触表面 0.6 ns 后，表面上一些不连续的实质性部分的水分子被耗尽。这表明蛋白质可能通过未折叠蛋白质链的某些氨基酸残基引发了二氧化硅上水合层的断裂。然后，随着越来越多的蛋白质残基在10~300ns下与二氧化硅表面接触，这些耗尽区进一步扩展，形成大的连续区域。上述结果清楚地表明，未折叠蛋白质可以使水下表面干燥。在穿透水合层后，未折叠的胰岛素链的某些区域自发地与表面接触，然后拖着整条链沿表面移动。整个过程伴随着氨基酸残基的旋转，以便更好地与二氧化硅相互作用。通过分析胰岛素每个残基与二氧化硅的初始接触时间以及相应的疏水指数（图 2b）可以清楚地发现，无规线圈中两个疏水残基富集区（区域 I 和区域 II）的接触时间最短，这意味着区域 I 和区域 II 优先与界面结合。具体来说，区域 I 由亮氨酸、缬氨酸和半胱氨酸组成，区域 II 由两个苯丙氨酸残基组成。两个区域与表面相互作用的快照显示，这两个区域像钉子一样刺穿了二氧化硅表面的水合层，并紧紧地附着在上面。因此，他们得出结论：在未折叠蛋白质中形成柔性疏水区域是使表面干燥的先决条件，这与之前有关贻贝足蛋白质粘附原理的报道一致。随后，其他残基开始根据其固有特性与界面相互作用。特别是，除了带负电荷的酸性（谷氨酸）和碳末端（丙氨酸）氨基酸残基具有正的结合能外，其他残基都自发地粘附到二氧化硅表面，这表现在它们负的末端结合能上（图 2c）。

图3. BSA的展开与固化

图4. 未折叠蛋白质基水下胶的性能

图5. 未折叠BSA胶的应用

由于粘合性能可靠，他们的胶水在实际应用中大有可为。应用方法可分为三种：胶带型、填充型和粘合型（图 5a）。在胶带型应用中，展开的 BSA 胶可以实时修复水容器或管道上的缺陷。在这里，他们将其涂在橡胶板上，然后修补一个有 5 mm孔的泄漏橡胶管。大约 1 分钟后，在 100 kPa 的水压下（大约相当于高压锅的工作压力），修补过的橡胶管可以正常工作（图 5b）。同样，展开的 BSA 胶也可用于处理一些紧急情况，例如修补破洞（直径 2 mm）的充气船，使其恢复正常划行（图 5c）。

在填充型应用中，展开的 BSA 粘合剂还可以粘住玻璃容器，使其不漏水（图 5d）。此外，用未折叠的 BSA 粘合剂粘合一个有 5 mm孔的猪膀胱，可承受 60 厘米 H₂O 的压力，高于膀胱内的安全压力极限（40 厘米 H₂O）（图 5e）。

在粘合型应用中，这种胶水可以快速将沙子粘合在一起，以承受水的冲刷（图 5g），这表明它具有在洪水中快速修复漏水大坝的潜力。此外，一种由廉价大豆蛋白组成的胶水还可用于将多功能粉末状材料粘合到散装材料上。因此，可利用蛋白质胶水将微生物（如小球藻和酵母）、松木屑、玉米秸秆粉末、纤维素粉末、虾壳粉末和壳聚糖粉末（占粉末体积的 5%）粘合在一起，制成一系列可模塑成不同形状的固体块，其弯曲强度高于 ~10 MPa。

图6. 展开BSA胶的固化过程及固化胶的内部结构和表面化学特性

四、结论与展望

总之，他们通过提供一种通用的展开聚合策略，将常见的商业蛋白质转化为水下胶，从而克服了只有某些特定蛋白质才表现出水下粘附性的限制。与其他需要特定官能团、聚合物网络结构或材料几何形状的自然启发型水下胶不同，他们的胶水是由相当常见的商业蛋白质通过溶剂介导的生物聚合物链稳定-聚合作用制成的。通过这种通用策略，数十种常见蛋白质及其混合物首先被展开并通过溶剂稳定以抑制聚集，然后，未展开的蛋白质可以通过溶剂稳定剂的逐渐扩散在水中发生可控的淀粉样聚集。在这一过程中，未折叠蛋白质链暴露在外的柔性疏水区可使润湿表面干燥，随后亲水和疏水残基都会发生动态调整，从而最好地与固体表面相互作用，以提供强大的界面粘附力。此外，凝固的胶水呈现出海岛结构，其中的淀粉样蛋白纳米晶体提供了强大的实质性交联点，确保了坚韧的内部凝聚力。强大的界面粘合力和内聚力使这种胶水在极端条件下（至少在水下浸泡 2 年）具有高强度和出色的粘合稳定性。这种胶水可用作胶带型、填充型和粘合型胶水，以满足不同的需求。这一策略证实，控制生物聚合物链的构象变化对水下粘合具有相当重要的意义，而不是仅仅引入一些特定的基团或结构。这可能会为构象导向水下粘附开辟一个新的领域。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40856-z

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