基于S-层自组装的新型纳米生物材料研究

S-层是存在于多种古菌和细菌菌体表面，具有规则晶体结构的单分子层。由于分离自菌体表面和体外表达的S-层蛋白都可重新自组装成与天然结构相同或相似的单分子晶格结构，因而奠定了S-层在纳米技术和仿生学领域广泛应用的基础。当今，开发基于S-层的多功能纳米生物材料已成为研究热点，但是这些研究仅围绕少数细菌的S-层蛋白展开。由于S-层蛋白的基因多样性，不同来源的S-层晶格结构有很大差别，因而作为生物材料的性能也不尽相同。因此，本申请拟首次将炭疽芽孢杆菌 S-层蛋白EA1作为研究对象，探索炭疽芽孢杆菌S-层的体外自组装，并通过基因操纵将可降解农药的甲基对硫磷水解酶（MPH）与该蛋白进行体外混合组装，最终获得与已知人工S-层不同结构、功能的新型S-层生物纳米材料，以用于传感器开发、生物检测、环境治理等。本研究不仅有广阔的应用前景，也将为EA1蛋白的结构和功能关系、炭疽芽孢杆菌的侵染等科学问题提供理论帮助。

生物体内有许多大分子可体外自组装成生物纳米材料。然而，当研究者青睐生物大分子的自组装性质及其理化特性时，往往忽视了原本的生物学功能，从而局限了生物纳米材料的应用。区别于已研究的S-层自组装蛋白，炭疽芽孢杆菌S-层蛋白EA1不仅具有潜在的体外自组装能力、而且能够降解细菌细胞壁，是炭疽芽孢杆菌表面重要抗原。本项目首次研究了EA1蛋白的体外自组装，同时巧妙的利用了甲基对硫磷水解酶水解甲基对硫磷的功能，及其作为标记酶的特质，创造性的发展了一种基于EA1-MPH融合蛋白体外自组装的多功能纳米材料。该生物纳米材料在农药降解、酶的贮存、炭疽抗体检测等领域均展现了显著优势并体现了重要应用价值。主要研究成果如下：. 1. 通过截短EA1蛋白、电镜表征等方法，系统性的研究了炭疽芽孢杆菌S-层蛋白EA1体外自组装，确定了该蛋白在N端缺失200个氨基酸后，依然可以体外自组装成晶格结构。. 2. 首次构建了基于EA1-MPH融合蛋白自组装的新型生物纳米材料，并确定了如下功能：. 1）该纳米材料具有EA1蛋白胞壁质酸水解酶的性质，可降解细菌细胞壁，具有杀菌、抑菌的应用前景。. 2）该纳米材料具有MPH水解甲基对硫磷的性质，较游离的MPH及未组装的EA1-MPH稳定性显著增高，可用于降解农药及酶的长时间贮存。. 3）该纳米材料能够直接用于炭疽芽孢杆菌特异性抗体的高灵敏检测，其检测灵敏度较未组装的EA1-MPH提高近200倍，可辅助炭疽病血清学诊断。. 3. 首次实现了融合蛋白EA1-MPH在磁性脂质体表面的组装，初步实现了该纳米材料的可回收再利用，有望降低使用成本。. 除此之外，以本项目研究内容为基础，研究团队获得了863项目“工业酶分子改造与绿色生物工艺”（课题7“果蔬洗涤用酶与有机物降解酶研制”）的资助。目前申请专利1项（申请号：2014100527236)，发表SCI论文1篇（Biosensors and Bioelectronics, IF = 5.437），1篇正在投稿 （Advanced materials），完成预期目标。