Nature 子刊：中国团队在扇贝足丝蛋白仿生材料研究领域取得重要研究进展

5 月 18 日，中国海洋大学海洋生命学院海洋生物遗传与育种教育部重点实验室方宗熙萨斯研究中心刘伟治团队、中国科学院深圳先进技术研究院钟超团队以及刘志远团队在 Nature Communications 上在线发表 Extensible and self-recoverable proteinaceous materials derived from Scallop Byssal Thread 的论文。研究团队经过多年潜心研究，在扇贝足丝蛋白仿生材料研究领域取得重要研究进展。

生物仿生材料一直是材料领域的研究热点和难点。为弥补当前组织修复材料、柔性传感器和可穿戴设备材料在湿环境下延伸性差、恢复性差等不足，研究团队多年来聚焦在湿环境下具有高延展性的扇贝足丝，克服了天然材料提取表征困难等技术难题，从扇贝足丝蛋白中首次报道了一种具有高延展性的纤维蛋白材料 Sbp5-2，并联合开展了材料组装机制及应用研究，该研究加深了对蛋白基海洋生物材料组装分子机制的认识，为未来开发具有自主知识产权的新型海洋生物医用生物材料奠定了基础。

首先对扇贝足丝结构和机械性能进行表征。研究发现其在湿环境下延伸性能可达 327 ± 32%(图 1a)，超过了绝大多数天然的生物纤维（图 1b）。通过对足丝纤维部 (图 1c) 微观结构进行观察，足丝纤维由折叠的片层组成，并且富含 β-sheet 结构 (图 1d)。基于多组学技术从足丝纤维部筛选出关键蛋白组分 Sbp5-2（图 1e）, 该蛋白具有显著的序列特点：含有多个重复模块（TRM）并且富含 Cys（图 1f）。体外重组表达该蛋白的重复模块序列成功制备了仿扇贝足丝的重组蛋白纤维（图 1 g-j）。

图 1. 扇贝足丝机械性能与结构以及重组蛋白纤维制备

体外重组蛋白纤维的力学性质和组装机制研究表明：

1. 重组丝具有扇贝足丝的层级结构和力学性能，具有显著的延展性和自恢复能力（图 2a-d）；

2. 机制研究发现氢键、金属羧基配位和二硫键为主的分子间交联对 rTRM7 纤维的延伸性和自恢复能力有调控作用：纤维内部水分子起到增塑作用从而提高纤维的延伸性，二硫键的存在可以显著增强其拉伸强度同时降低其延伸性，Ca²⁺与蛋白的羧基形成配位键，并且提高了蛋白分中 β-sheet 含量，从而提高重组蛋白纤维的拉伸强度（图 2e-j）。

图 2. 重组蛋白纤维 rTRM7 机械性能及其调控机制

为了探索高延伸性重组蛋白纤维在生物医学领域的应用，研究人员将石墨烯嵌入蛋白纤维中制备出同时具有高延伸性和高导电性能的纤维 e-rTRM7（图 3a-d）, 蛋白纤维 e- rTRM7 具有非常良好的细胞相容性，并且在作为应变传感器和电生理信号传输电极方面具有非常大的应用潜力（图 3e-i）。图 3. 导电 e-rTRM7 纤维作为应变传感器和电信号传输电极的应用