角蛋白酶对羊毛角蛋白二硫键的酶解机理及其对羊毛结构与性能的影响和调控

Keratins are the main composition of animal hairs such as wool and feather. They have higher chemical stability due to the three-dimensional net structure formed by the cross-linking of substantive cystine disulfide bonds in and between peptides, which greatly hinders further processing, modification and reuse of this kind of materials. Therefore, selective and efficient degradation of disulfide bonds in keratins is the key to overcome this common problem,and keratinase treatment is an effective method to solve it.Our early research also showed that keratinase can catalyze the degradation of cystine disulfide bonds in wool keratin, but its detailed mechanism is not clear at the present time. .This project will firstly investigate the degradation mechanism of disulfide bonds by keratinase at molecular level using enzyme-digested mode of disulfide bonds as the pointcut, so as to make keratinase mechanism clear. On this basis, the influence of surface properties and scale hierarchical structure of wool will be studied. The mode and regulation as well as reinforcement strategies for the degradation of disulfide bonds by keratinase will also be clarified. Moreover, the relationship between the structure and properties of keratinase-treated wool will be revealed. The results will provide theoretical basis and scientific foundation for the enzymatic modification of wool. They also can give beneficial reference for the deep processing and reuse via keratin extraction of other keratinous materials like feather.

角蛋白是羊毛、羽毛等动物毛发的主要成分，因分子结构中含有大量胱氨酸二硫键使肽链内和肽链间交联, 形成立体网状结构而具有较高的化学稳定性，严重阻碍了这类材料的进一步加工、改性和再利用。因此，选择性、高效降解角蛋白中的二硫键是解决这一共性问题的关键。角蛋白酶是解决这一问题的有效途径，课题组前期研究也表明，角蛋白酶可以催化降解羊毛角蛋白中的胱氨酸二硫键，但目前尚不清楚胱氨酸二硫键降解的机理。.本课题拟以角蛋白酶对二硫键的酶切方式为研究切入点，首先从分子水平揭示角蛋白酶对二硫键的酶解机制，明确角蛋白酶催化实质。在此基础上，探索羊毛表面性质、鳞片分层结构对二硫键酶解的影响规律，阐明角蛋白酶对羊毛鳞片角蛋白二硫键的酶解作用模式及过程调控与强化策略，明晰角蛋白酶改性羊毛结构与性能之间的构效关系，为羊毛角蛋白酶法改性提供理论基础和科学依据。并为羽毛等其它角蛋白材料的深加工和角蛋白提取再利用提供有益参考。

角蛋白是一类来源广泛的天然可再生蛋白质材料，但全球每年近500万吨不可纺羊毛短纤维、屠宰场中的动物毛发和羽毛及人的头发被直接丢弃，造成环境污染和蛋白质资源的严重浪费。探明酶对角蛋白降解作用机理对角蛋白材料的高效酶解利用具有重要意义。.本项目以羊毛（代表性角蛋白）为主要对象，研究了角蛋白降解酶及其助剂复合体系对角蛋白部分及完全降解过程、机理及效果。主要研究结论及成果有：(1) 全面考察和对比了角蛋白酶Ker Bv、蛋白酶K和蛋白酶Esperase对羊毛的降解效果，揭示了其酶解特异性及对羊毛降解程度、作用深度和区域，建立并优化了羊毛酶法表面改性方法和工艺。(2）首次将角蛋白降解酶—蛋白酶K引入羊毛降解研究，通过石英微晶天平(QCM-D)和激光共聚焦显微镜阐明了蛋白酶K对羊毛角蛋白的吸附、降解过程机制，揭示了蛋白酶K与普通蛋白酶对羊毛角蛋白的吸附过程和水解机制上的异同，提出前者高吸附、高脱附吸附模式与低渗透、高降解“水解模式”。(3)建立了以角蛋白降解酶为主的绿色、高效、可调控羊毛表面部分降解和完全降解体系，明确酶与助剂协同体系对羊毛选择性降解的影响规律，阐明羊毛纤维酶解过程机制，并实现了羊毛向多种高值化产物如再生角蛋白、角蛋白微纳米粒子、可溶性多肽和游离氨基酸的高效转化。(4)基于二硫键还原断裂与肽键酶解策略，建立了简单有效的头发鳞片、脱鳞片头发和功能性黑色素体纳米粒子还原剂-蛋白酶协同分离方法，实现了头发废弃物的再利用。(5)针对羊毛复杂精妙的多层级组装结构，基于酶对羊毛表面定域降解思想设计并制备了兼具“大尺寸定域作用、肽键与二硫键协同水解”三功能的PEG-半胱氨酸修饰蛋白酶，在羊毛角蛋白纤维改性，特别是富含角蛋白的鳞片层结构的破坏与去除方面效果显著，为强化角蛋白材料的酶解作用提供有益借鉴。项目发表（含录用）论文11篇，其中SCI论文8篇；共同主编中英文科技书2本；国内外学术会议报告6次；授权发明专利2项。培养研究生8名，其中硕士6名、博士2名。