同步辐射红外光谱技术对基因重组蜘蛛丝蛋白多尺度自组装行为的研究

Spider silks are well known for their superior mechanical properties that are stronger and tougher than synthetic fibers despite being assembled at close to ambient conditions and using water as the solvent. However, it is a significant challenge to utilize spider silks for practical applications due to their limited sources. Fortunately, genetic engineering techniques offer a promising approach to produce useable amounts of spider silk variants. However, the motives of these studies are to obtain the regenerated recombinant spider silk fibers with mechanical properties that are comparable to natural spider silk. However, the optimization of the mechanical performance of spider silk is not only derived from the primary structure, but also benefited from their hierarchical architectures that formed by multiscale self-assembly. In this project, we aim to use synchrotron FTIR microspectroscopy to discover the mechanism of multiscale self-assembly of recombinant spider silk protein, including conformation transition, supramolecular self-assembly and liquid crystal structure evolution. We also will focus on understanding the effects of external stimuli (such as, force field and heat, etc.) on self-assembly of recombinant spider silk proteins. These studies will not only help to understand the evolution process of spider silk protein in natural spinning, but also are able to directly guide the design and preparation of recombinant spider silk protein functional materials.

蜘蛛丝虽然具有所有合成纤维都无法比拟的韧性，但是由于蜘蛛无法驯养，所以至今仍未实现大规模的应用。随着合成生物学技术的发展，最近几年重组蜘蛛丝蛋白的研究已受到了广泛的关注。但这些研究的出发点集中在如何将重组蜘蛛丝蛋白纺制成与天然蜘蛛丝媲美的再生丝纤维，而忽视了对其多尺度自组装行为的研究。然而蜘蛛丝的材料性能的优化，不仅源自于一级结构，而是多尺度综合效应的有益加和。本项目中，申请者拟采用同步辐射红外显微光谱及光谱成像技术追踪重组蜘蛛丝蛋白构象转变、超分子自组装及液晶结构演化的过程，掌握再生蜘蛛丝蛋白多尺度自组装的结构变化过程及机理，并详细研究外界刺激（如，力场和热等）对于各尺度组装行为的影响。该研究预期取得的结果不仅将有助于理解天然蜘蛛纺丝中的丝蛋白结构的演化过程，而且能直接指导重组蜘蛛丝功能材料的设计与制备。

蜘蛛丝虽然具有所有合成纤维都无法比拟的韧性，但是由于蜘蛛无法驯养，所以至今仍未实现大规模的应用。随着合成生物学技术的发展，最近几年重组蜘蛛丝蛋白的研究已受到了广泛的关注。但这些研究的出发点集中在如何将重组蜘蛛丝蛋白纺制成与天然蜘蛛丝媲美的再生丝纤维，而忽视了对其多尺度自组装行为的研究。然而蜘蛛丝的材料性能的优化，不仅源自于一级结构，而是多尺度综合效应的有益加和。本项目建立了基于同步辐射红外显微光谱技术、同步辐射小角/广角X射线表征技术、时间分辨技术的针对丝蛋白材料的静、动态结构变化检测方法。如引入外部刺激（压力、温度、剪切力）的同步辐射红外原位测试方法，原位监测并对比分析环境变化下短肽或丝蛋白材料的红外吸收谱线的演变模式。建立了分子动力学模拟方法研究丝蛋白特征基序及基序组合的自组装行为方案。模拟结合实验，深入理解了动物丝多肽样品中介观结构对外界刺激的动态响应行为，揭示了丝蛋白多尺度自组装的结构变化过程和机理及特定条件下丝蛋白各尺度的组装行为。分析建立了一系列丝蛋白材料的“结构-性能-功能”关系。此外，本项目中开发了人工智能机器学习模型，实现了准确高效地识别丝蛋白并评估它们在同步辐射红外光谱中各个构象（β-折叠，β-转角，无规卷曲）的相对含量，并可辅助预测丝蛋白材料的性质。最后，基于对天然丝蛋白材料各层级结构演化和构效关系的解析结果，项目中制备了一系列仿生功能材料（如具备光学调控、力学增强、导电和阻燃功能），在环保、生物医学、柔性电子、智慧织物等领域显示出广泛的应用潜力。