基因模块战略工程多功能淀粉样蛋白水下粘合剂及其粘合机理研究

Underwater adhesives with tunable compositions and functions have many important applications in both biomedical and marine fields, but remain a big challenge in current adhesive techniques. We demonstrated a genetic modular strategy for engineering underwater adhesives based on the fusion of mussel foot proteins (Mfps) from Mytilus galloprovincialis with CsgA, the major subunit of adhesive curli fibers from Escherichia coli. However, these fibrous materials cannot satisfy all the requirements of ideal medical adhesives and their associated mechanism for underwater adhesion is also not fully understood. In this proposal, we aim to utilize surface force apparatus (SFA) and atomic force microscopy (AFM) colloidal probe techniques, coupled with the genetic modular design strategy, to investigate the underwater adhesion mechanism of a variety of fusion proteins with tailor-designed protein domains. Furthermore, using the ideal medical adhesives as blueprint, we also aim to leverage the genetic modular design strategy to engineer biocompatible, injectable and ultra-strong adhesives. Collectively, this study will provide new insights into the adhesion mechanism of a new type of bio-inspired amyloid underwater adhesives and lay the foundation for engineering multi-compositional and multifunctional underwater adhesives. This study will further promote the applications of functional amyloids in bionanotechnology and materials science.

组分和性能可调的水下强力粘合剂在生物医药和海洋应用等领域都有极其重要的应用，却一直是粘合技术领域最大的挑战。申请人利用合成生物学技术理性设计出基于融合蛋白分子CsgA-Mfps (大肠杆菌淀粉样蛋白CsgA融合贻贝粘性足蛋白Mfps)的超强自组装水下粘合纤维材料。但是这些粘合材料目前还不能完全满足生物医药领域对理想粘合剂的要求，同时其水下粘合机理也并不清楚。本项目旨在运用基因模块战略设计各种包含不同蛋白模块的融合蛋白，结合表面力装置和原子力显微镜球形探针粘合测定技术，系统调查影响粘合强度包括内在粘合和界面粘合强度的各个因素；同时从理想医学粘合剂的要求出发，本项目将利用基因模块战略工程出生物相容、可注射性超强水下粘合剂。研究将阐明基于功能淀粉样蛋白的水下粘合材料的粘合机理，为设计多组分多功能的粘合材料提供理论指导，同时也将促进功能化淀粉样蛋白纤维在生物纳米技术和材料科学领域的应用。

受海洋生物藤壶分泌的生物粘合剂中富含淀粉样纤维蛋白的启示，本项目以功能淀粉样蛋白纤维为基本单元，采用基因模块方法构建了一系列基于淀粉样蛋白的水下粘合材料。首先，基于低复杂结构域TDP43，我们构建了重组粘合蛋白Mfp5-TDP43。利用该蛋白在低温下形成凝聚体易在基底表面铺张和吸附，并随后进一步自组装形成淀粉样蛋白纤维的特点，我们构建了一种强力的水下纤维粘合涂层材料。最后形成的粘合纤维涂层水下粘合性能高达48.12 mJ/m2，是目前水下粘性最强的蛋白材料。我们证明这种粘合涂层材料可以应用于水下裂缝的修补。此外，为了制备可注射性粘合凝胶，本项目还构建了基于亮氨酸拉链的水凝胶AS3P和AS5P，经体外酪氨酸酶修饰和一定比例混合后可以得到一系列粘合性能可调的粘合胶，这种粘合胶展现自修复、细胞和组织生物相容性较好等特点，并可以应用于3D打印和心脏补片。最后，本项目还特别就融合蛋白或蛋白结构域对功能淀粉样蛋白纤维自组装动力学、形貌、杨氏模量以及粘合等方面的影响做了一系列表征和评价。因此，除构建了在医用和生物技术领域有重要应用价值的多种粘合材料外，本研究也为理性构建基于淀粉样蛋白纤维的生物材料提供了重要依据。