2021年6月2日，國際著名材料學(xué)期刊《Matter》（IF2020= 15.589）在線刊登了西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點實驗室趙愛春教授課題組與荷蘭Radboud大學(xué)牙學(xué)院Fang Yang課題組合作的最新研究成果Genetic Hybridization of Highly Active Exogenous Functional Proteins into Silk-Based Materials Using “Light-Clothing” Strategy。整合進(jìn)絲素蛋白材料的外源功能蛋白活性過低，一直是限制轉(zhuǎn)基因家蠶平臺被應(yīng)用于合成高性能絲素蛋白材料的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。針對該問題，這項研究提出一種“輕裝上陣”的全新合成策略，可大幅提高整合進(jìn)入絲素蛋白生物材料中外源功能蛋白的活性，使其接近商品化標(biāo)準(zhǔn)品。
蠶絲是由家蠶絲腺分泌的液態(tài)絲蛋白經(jīng)蠶的“吐絲器”加工而成的連續(xù)長纖維，是人類利用最早的天然動物纖維之一。絲素蛋白是蠶絲的主要成分，其在紡織業(yè)中被使用了數(shù)千年。隨著科技的發(fā)展，近年來蠶絲（絲素）這一古老的材料“重獲青春”，其在電子、光學(xué)、能源、環(huán)境科學(xué)和生物醫(yī)藥等多個新興領(lǐng)域均顯示出重大應(yīng)用前景。家蠶轉(zhuǎn)基因技術(shù)可實現(xiàn)將任意外源功能蛋白整合進(jìn)入天然絲素蛋白，為開發(fā)各種新型的高性能絲素蛋白材料提供了一個環(huán)保、可量產(chǎn)、低成本的合成方法。
外源功能蛋白，本質(zhì)上是一個融合蛋白。在家蠶轉(zhuǎn)基因技術(shù)領(lǐng)域，為確保外源蛋白和內(nèi)源絲素蛋白能同時合成并一同被分泌至蠶繭，通常將來自于內(nèi)源絲蛋白的額外結(jié)構(gòu)域引入外源蛋白結(jié)構(gòu)序列的上游和/或下游，形成一個融合外源蛋白。而這些額外的結(jié)構(gòu)域往往導(dǎo)致該融合外源蛋白發(fā)生多余的翻譯后修飾，通過破壞其正常三級結(jié)構(gòu)折疊而降低其活性，成為目前限制基于轉(zhuǎn)基因家蠶的材料合成平臺推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對上述問題，研究小組提出了一種“輕裝上陣”的全新合成策略，即通過計算機(jī)預(yù)測，合理地裁剪掉融合外源蛋白的額外結(jié)構(gòu)域中的冗余部分。研究首先以綠色熒光蛋白作為標(biāo)記外源蛋白，證實“輕裝上陣”策略不僅可以避免融合外源蛋白合成過程中多余的翻譯后修飾，而且能保證其與天然絲素蛋白一起正常分泌和提取，并且其提取的再生溶液可以制備成各種常見絲素蛋白材料形式。隨后以表皮生長因子作為外源功能模型蛋白，利用計算機(jī)建模，發(fā)現(xiàn)該“輕裝上陣”策略可以顯著提高在家蠶絲腺中表達(dá)的融合外源蛋白正確的折疊能力；通過體外和體內(nèi)實驗，證實該策略可明顯提高融合外源蛋白的活性，使其與商品化外源蛋白標(biāo)準(zhǔn)品相媲美。該“輕裝上陣”策略，為利用轉(zhuǎn)基因家蠶平臺合成各種高性能絲素蛋白材料提供了一個可行的技術(shù)方案。
轉(zhuǎn)基因家蠶材料合成平臺：傳統(tǒng)策略與“輕裝上陣”策略的比較
家蠶基因組生物學(xué)國家重點實驗室（西南大學(xué)）為論文第一署名單位，實驗室龍定沛副教授和荷蘭Radboud大學(xué)牙學(xué)院Xian Cheng博士為論文共同第一作者，西南大學(xué)趙愛春教授為最后通訊作者，荷蘭Radboud大學(xué)Fang Yang教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家蠶桑產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目、中國留基委及西南大學(xué)人才資金和歐洲Erasmus+項目的支持。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521001272
據(jù)悉，趙愛春課題組以商業(yè)化應(yīng)用為目的，堅持開展家蠶絲腺表達(dá)系統(tǒng)相關(guān)研究，通過研究家蠶活體內(nèi)成絲機(jī)理，解決表達(dá)外源蛋白活性低、純化難、表達(dá)量低等商業(yè)化應(yīng)用瓶頸問題。課題組近期在家蠶體內(nèi)成絲機(jī)理方面取得突破，為克服這些難題打下了堅實的基礎(chǔ)，相關(guān)成果2021年2月發(fā)表于國際生物材料期刊International Journal of Biological Macromolecules(IF2020=6.953)。https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.12.132。
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