基于解折叠蛋白质链松弛的淀粉样结晶机制研究

Amyloid crystallization is of fundamental importance for structural regulation of amyloid materials, which has exhibited outstanding innovation in high-tech fields. However, amyloid crystallization could be hardly achieved, due to mesoscopic chiral twisting induced by ordered assembly of intermolecular β-sheets. In this project，the applicant proposes a pathbreaking kinetic-controlled amyloid crystallization pathway through chain relaxation of unfolded protein. The disulfides of the native lysozyme are efficiently reduced resulting protein unfolding, unfolded protein aggregation and subsequently transformation into amyloid crystals will be systematically studied for revealing microscopical mechanism of chain relaxation-crystallization. To identify broad spectrum of chain-relaxation based amyloid crystallization, other proteins with different amyloid sequence will be also studied through analogous unfolded lysozyme chain relaxation-crystallization process. The methods for tuning size, orientation, morphology and assembling behavior of amyloid crystals will be developed to design and synthesis the protein crystalline materials with complex hierarchical structures through using amyloid crystals as precursors, the structure-function relationship between amyloid crystals microscopic/macroscopic morphology and performance will also be studied for potential applications. This project will develop a new theory of amyloid crystallization for morphological control of protein materials, and build a new synthetic system of protein crystalline materials.

蛋白质淀粉样聚集展示出其创新的高新技术用途，而蛋白质淀粉样结晶对于淀粉样蛋白质材料的结构调控具有重大的意义。淀粉样组装过程会产生介观手性扭曲，所以蛋白质淀粉样结晶很难实现。本项目创新性地发展了通过解折叠蛋白质链松弛来实现蛋白质淀粉样结晶的路径。通过高效打断溶菌酶中的二硫键使其发生解折叠，研究解折叠分子聚集以及淀粉样结晶过程，从而揭示链松弛-结晶的微观机制；通过研究具有不同序列结构的淀粉样蛋白质解折叠、聚集、链松弛-结晶过程以及最终形成的淀粉样晶体结构，从而建立广谱的淀粉样结晶理论；尝试调控淀粉样晶体的尺寸、取向、形貌以及组装行为，并以淀粉样晶体为前驱体，设计和制备具有复杂分级结构蛋白质晶态材料，研究淀粉样晶体和最终材料的微观/宏观形貌和性能之间的构效关系，并探索潜在的应用。本项目发展了淀粉样结晶新理论并实现蛋白质材料的形态控制，从而建立蛋白质晶态材料制备新体系。

蛋白质淀粉样聚集展示出其创新的高新技术用途，而蛋白质淀粉样结晶对于淀粉样蛋白质 功能材料的结构调控具有重大的意义。淀粉样组装过程会产生介观手性扭曲，所以蛋白质淀粉样结晶很难实现。本项目创新性地发展了通过解折叠蛋白质链松弛来实现蛋白质淀粉样结晶的路径。通过高效打断溶菌酶中的二硫键使其发生解折叠，系统地研究其中解折叠分子聚集以及淀粉样结晶过程 ，从而揭示链松弛-结晶的微观机制；基于该链松弛-结晶机制， 可以实现调控类淀粉样晶体的尺寸、取向、形貌以及组装行为，并以淀粉样晶体为前驱体，设计和制备具有复杂分级结构蛋白质晶态材料，研究淀粉样晶体和最终材料的微观/宏观形貌和性能之间的构效关系，并探索潜在的应用。围绕拟解决的关键科学问题，最终实现了对类淀粉样纳米晶介晶化的调控，从而建立蛋白质晶态材料的新体系。.针对上述挑战，我们设计和开发了三种策略解决上述难点：.第一，我们揭示了解折叠蛋白质聚集过程中，解折叠蛋白质链之间形成短程的β-sheet聚集体，进一步形核生成具有‘核-壳’结构的淀粉样纳米晶。不同于经典的淀粉样纤维化过程，该聚集-形核行为能够有效促进短程的β-sheet在三维方向上有序组装，而不是纤维化过程中限制其在单一方向上优势生长。.第二，通过在观察无定型蛋白质纳米膜在气液界面处的链松弛-结晶行为，揭示了淀粉样蛋白质结晶的关键因素是解除界面的能量和空间限制，并进一步通过控制界面张力实现了类淀粉样蛋白质晶体的多形态调控。.第三，基于上述基础，我们将蛋白质纳米晶溶胶应用到结构色传感器领域，发展了一种梯度结构比色传感器。该梯度结构传感器能够实现类似‘Bragg镜子’功能，能将三维梯度表面信息精准、高效地转变为二维图案信息，仅仅通过使用低成本工业相机就能实现低于0.5 Å的空间分辨率