基于合成生物学的智能类丝弹性蛋白聚合物的生物合成研究

Silk?elastin-like protein polymers (SELPs), consisting of repeating units of silk and elastin, are fully degradable, biocompatible, and easily functionalizable polymer systems. Until now, a few SELPs have been reported and investigated for the potential appliactions in drug delivery and tissue engineering. However,they generally lack stimuli-responsive (smart) properties, which limits their wide applications in biomedicine. Therefore, robust high-throughput synthesis and screening methods are needed to expand the reservior of SELPs and endow them with smart propeties for different applications. To address this need, we will establish a novel platform approach, which allows construction of large combinatorial libraries of SELPs containing various silk and elastin block ratio, different key amino acid sequences and protein molecular weight, and enables the rapid synthesis and high-throughput screening of diverse stimuli-responsive protein polymers（pH,redox,electricity, phosphorylation, etc.） to meet specific needs in biomaterials. In addition, the stimulus-responsive properties of the newly screened materials will be characterized. This project not only helps to develop recombinant strains to synthesize new smart SELPs but also expand the theory and application of synthetic biology in the field of genetically engineered protein biomaterials.

类丝弹性蛋白聚合物（SELPs）是由类丝蛋白和类弹性蛋白肽段串连重复组成的蛋白质嵌段共聚物，具有良好的生物识别性、生物相容性和可降解性。目前已报道的SELPs，种类有限、缺乏对不同环境和生理条件的刺激响应性，因而限制了其在医学上的广泛应用，故亟需应用生物学新技术开发具有刺激响应性的智能生物材料。本项目基于合成生物学理念，研发多个功能模块DNA序列组装技术，形成具有不同关键氨基酸序列、肽段比例和分子量的SELPs文库；针对不同刺激响应性（pH、氧化/还原、电场、磷酸化等），建立对基因编码SELPs文库的高通量筛选体系；对筛选获得的新型蛋白聚合物进行刺激响应性质的表征。本研究的开展，不仅有助于开发新型智能类丝弹性蛋白聚合物的生产菌株，还将丰富合成生物学在基因编码蛋白生物材料领域应用的理论和实践。

基因工程蛋白材料不仅汲取了天然蛋白材料生物相容性好、可降解、毒性低等优良特性，还具备了高分子合成材料对材料微结构、性能及功能的高度可控性，成为近年快速崛起和发展的研究领域。作为基因工程蛋白的一个重要类型，类丝弹性蛋白聚合物（SELPs）是一类由类丝蛋白（GAGAGS）和类弹性蛋白肽段单元（GXGVP）串连重复组成的蛋白质高分子嵌段共聚物。在本项目开展之前，已报道的SELPs种类有限、缺乏对不同环境和生理条件的刺激响应性，因而限制了其在医学上的广泛应用。本项目基于类弹性蛋白结构单元相变过程中的能量转换原理，将其X位置氨基酸分别置换成酪氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和磷酸激酶识别位点（RGYSLG），将类丝与类弹性蛋白单元比例设置为1:2、1:4或1:8，从而设计了12种赋予温度、pH、氧化/还原或磷酸化刺激响应的肽段功能模块。基于合成生物学理念，在功能模块DNA的两端设计了非回文的限制性内切酶位点BanII，从而实现模块DNA的无缝定向连接，形成具有不同关键氨基酸序列、肽段比例和分子量的SELPs表达文库；进一步通过孔板原位培养、可溶性表达、纯化，以及针对特定刺激响应的高通量筛选，获得了响应温度、pH、离子强度、氧化/还原或磷酸化的新型SELPs，从而成功建立了高通量快速获得响应性（智能）蛋白聚合物的合成生物学新方法，突破了传统方法研发周期长且一次只能合成一种蛋白聚合物的限制。本项目还进一步揭示了功能模块的组成与聚合物刺激响应性的关系，发现肽段模块中结构单元比例不仅是调控聚合物自组装和刺激响应性的重要因素，而且也直接影响所得蛋白材料的力学性能。本研究的开展，不仅建立了新型类丝弹性蛋白聚合物的微生物合成生物学平台，而且丰富了基因编码蛋白材料研究的理论和实践。