ACSNano利兹大学控制定义纳米蛋白质水凝胶网络结构和力学

　　【摘要】
　　蛋白质的分层组装表现出广泛的材料特性，这些特性在自然界和人类人工开发中都得到了利用。然而，人们对蛋白质在网络组装上展开的重要性知之甚少，这严重限制了在仿生和仿生材料开发中利用这种纳米级转变的机会。最近， 英国利兹大学 Lorna Dougan教授 团队 控制了单一蛋白质构建块牛血清白蛋白 (BSA) 的力不稳定性，并证明蛋白质展开在定义光化学交联天然蛋白质网络的结构和力学方面起着关键作用。
　　BSA 的内部纳米级结构包含  17 个共价二硫化物＂纳米钉＂形式的＂分子增强＂ ，防止力诱导展开。添加还原剂后，这些纳米纤维被破坏，使蛋白质力不稳定。利用圆二色性 (CD) 光谱、小角散射 (SAS)、流变学和建模的组合，团队表明钉合蛋白质形成由折叠蛋白质的簇间区域连接的交联分形状簇的合理均匀网络。相反，原位蛋白质展开导致更密集的分形状簇的异质网络，这些网络由未折叠蛋白质填充的簇间区域连接。此外， 在簇间区域凝胶诱导的蛋白质解折叠和交联改变了水凝胶力学，如储能模量增加 3 倍 、损失比和能量耗散增加以及显着不同的松弛行为所测量的。
　　通过控制蛋白质通过纳米级（非）装订展开的能力，团队证明了原位展开在定义网络架构和力学方面的重要性，提供了对基本分层力学的深入了解以及为未来应用调整生物材料的途径。相关论文以题为  Control of Nanoscale In Situ Protein Unfolding Defines Network Architecture and Mechanics of Protein Hydrogels  发表在《ACS Nano》上。
　　【主图】
　　图 1.  (a) BSA 的晶体结构（PDB 代码：3v03）和 (b) 二维拓扑图，其中二硫键结合的半胱氨酸残基和酪氨酸残基分别为黄色和绿色。在 (c) 不存在和 (d) 存在 DTT 的情况下，在胶凝前、胶凝后立即和胶凝后 1 小时，BSA 水凝胶的归一化圆二色光谱。(e) BSA（浅红色）和 BSA:DTT（深红色）水凝胶在 222nm 处的归一化 CD 信号作为凝胶后时间的函数，之前公布的由另一种球状蛋白 MBP（灰色）组成的水凝胶的数据已添加以供参考。(f) 保留在每个水凝胶系统中的折叠蛋白质的百分比，凝胶前（开放），凝胶后（条纹）和松弛后（交叉影线）。
　　图 2.  (a) SANS 曲线和 (b) 折叠 BSA 水凝胶在不存在（浅红色）和存在（深红色）DTT 的情况下的 SAXS 曲线。(c) BSA 水凝胶和 MBP 水凝胶中存在的簇的分形维数和 (d) 相关长度。(e) 簇中蛋白质单体的数量作为距簇中心距离的函数。(f) 每个水凝胶系统的簇（纯色）和簇间区域（红色和白色条纹）的体积分数。(g, h) 在不存在（浅红色）和存在（深红色）DTT 的情况下，BSA 水凝胶网络的预测结构示意图。
　　图 3.  (a, b) 表示使用 BioNet 模拟计算的显式结构的示意图，其中蓝色球体表示折叠蛋白质，线条表示未折叠蛋白质形成的连接。(c) 从＂单个集群＂的 BioNet 模拟（使用盒计数方法计算）和实验 SAS 数据（图 2）中提取的交联集群的分形维数。
　　图 4 . (a) 频率扫描显示化学交联 BSA 水凝胶（最终浓度）的（填充）存储 G＂ 和（开路）损耗模量 G＂＂。（b）BSA 水凝胶的 tan(δ) 作为不存在和存在 DTT 时应用频率的函数。(c) 凝胶曲线，显示在不存在（浅红色）和存在（深红色）下 BSA 水凝胶的储存（封闭符号）和损耗模量（开放符号）与时间 ) 的 DTT. (d) BSA 水凝胶中松弛模式的时间尺度，其中添加了 MBP 水凝胶以供参考。
　　图 5. (a) 化学交联 BSA 水凝胶在 3 mM DTT 不存在和存在下的应力-应变曲线。(b)在不存在（浅红色）和存在（深红色）DTT 的情况下，BSA 水凝胶在加载-卸载循环期间的能量耗散（开放）和效率（条纹）。(c) 在不存在和存在 DTT 的情况下，BSA 水凝胶的储存和损耗模量和 (d) tan(δ)作为在 1 Hz 下施加的振荡应变的函数。
　　参考文献
　　doi.org/10.1021/acsnano.1c00353
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