弹性蛋白resilin的化学合成、力学特性及其在仿生材料领域的应用

Elastomeric protein is an important class of functional proteins in vivo, which take care of the passive elasticity of tissues and organs. They are also biomaterials of superb mechanical properties in vitro, outperforming many synthetic polymers. However, currently, most of the elastomeric proteins used as biomaterials are obtained by gene expression, which is limited by high expense and low yield. Therefore, it is desirable to develop alterative and complimentary synthetic methods. In this proposal, we plan to develop a novel approach for chemical synthesis of elastomeric proteins. We will synthesize the repeat units of elastomeric protein fragments through solid-phase peptide synthesis and crosslink these fragments using "click chemistry" based on the engineered azide and alkyne groups on the termini. We will use resilin, the elastomeric protein of high extensibility and resilience, as a model system to validate our method. We will study the relationship of sequence and mechanical properties of resilin by varying the repeat sequences in the synthetic resilin. We will also explore different ligation strategies, such as native chemistry ligation, cysteine-maleimide reaction, and sortase catalyzed ligation, for the synthesis of resilin. The pros and cons of each method will be carefully evaluated. The synthetic resilin will also be extensively characterized by various techniques, such as single molecule force spectroscopy, circular dichroism on stretched samples, mechanical test apparatus, from which we will investigate the molecular origin of the super elasticity and resilience of the synthetic resilin. In the end, we will engineer synthetic resilin based hydrogels for biomedical applications. We anticipate this study could greatly advance the synthesis and application of resilin as a novel type of biomaterials.

弹性蛋白在生物体内决定了各个组织的力学特性，在生物体外更是一种性能优良的生物医学材料。目前用于生物材料的弹性蛋白主要依赖于基因表达的手段获得，通常生产成本高、产率较低。而通过化学方法合成仿生弹性蛋白将会是目前基因表达的手段的有益补充。本项目将采用固相合成多肽单元片段结合基于"点击化学"的端基交联方法，首次实现对一种具有优良延展性和拉伸可回复性的节肢弹性蛋白(resilin)的化学合成。我们将比较三种不同序列的resilin蛋白的力学性能的差异，探索交联基团对人工合成弹性蛋白性能的影响。我们还将发展不同的端基交联方法，丰富仿生弹性蛋白的化学合成手段。我们更要利用在弹性蛋白力学特性方面的研究特长，研究其特殊弹性行为的物理机制。最后，我们还将在模仿天然弹性蛋白的基础上，通过模块聚合的思路，合成多种弹性蛋白杂化的新型嵌段弹性蛋白，优化其力学性能，并制备出基于resilin的新型功能生物医学材料。

本项目拟通过生物物理研究，探索具有生物活性的多肽分子及其组装体的力学和物理化学特性，为新型生物医学材料的设计制备打下基础。并以resilin为例，探索其化学合成方法，设计制备相关的软物质材料，拓展其应用。本课题基础和应用研究并重，在执行期间取得了一系列的突破，为实现多肽生物材料的物理特性优化和可控设计打下基础，相关成果如下： .1. 我们成功地通过固相多肽合成方法制备了resilin单体序列，并尝试通过叠氮－端基三键、巯基－马来酰亚胺的点击化学来交联多聚化resilin多肽，优化了制备条件。但凝胶色谱GPC表征时发现该种点击化学多聚化方法在分子长度上的控制能力较差，由于存在分子首尾官能团交联的竞争反应，所制备的resilin聚合度不够，其化学物理特性无法与天然resilin蛋白相媲美。 .2. 我们发展了一种新的酶调节体系pH的方法，通过优化多肽的自组装路径来优化多肽水凝胶的力学特性。我们利用葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶的协同作用，将D型葡萄糖氧化为葡萄糖内脂，葡萄糖内脂随即水解释放出质子从而降低了多肽体系的pH值，过氧化氢酶的参与能够快速除去原位产生的过氧化氢，有效地对多肽体系起到了保护作用。.3. 我们发展了基于原子力显微镜成像统计分析的方法，定量表征蛋白质自组装纤维的力学特性，并基于该研究方法，系统地研究了一类通过疏水和pi－pi相互作用所形成的水凝胶纤维的力学特性。我们发现该类小分子多肽水凝胶与生物大分子如胶原蛋白等的纤维的刚性及杨氏模量相似，可被广泛用于细胞培养、组织工程以及再生医学领域。.4. 我们通过优化多肽分子与金属离子、氧化石墨烯的相互作用，设计了一系列有重要生物医学应用前景的复合水凝胶。例如：我们将可多巴分子引入了多肽体系，制备出可电操控的水凝胶，并展示了其作为促动器在微流控体系的控制以及药物可控缓释方面的应用。我们还利用电化学方法，调节氧化石墨烯－Ru复合水凝胶的表面物理化学特性以及力学特性，实现对细菌的选择吸附，并利用电致灭菌的方法实现了水凝胶对污染水体中的细菌的吸附与去除 。我们还利用了多肽自组装体的特殊热稳定性，制备了Ru催化交联的多肽－氧化石墨烯复合水凝胶，用于可控给药。.该项目执行期间共发表SCI论文9篇，其中AFM和Nanoscale各两篇，ACS Applied Materials & Interface 一篇；参加会议2次。