我校物質(zhì)學(xué)院材料和物理生物學(xué)研究部鐘超課題組在利用模塊基因方法設(shè)計(jì)包含多個(gè)結(jié)構(gòu)域淀粉樣蛋白纖維材料以及在研究結(jié)構(gòu)域如何影響蛋白的自組裝和功能特性方面取得重要進(jìn)展。最近，該項(xiàng)成果以“Modular Genetic Design of Multi-domain Functional Amyloids: Insights into Self-assembly and Functional Properties”為題，在《Chemical Science》上在線(xiàn)發(fā)表。

天然蛋白質(zhì)分子通常由多個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域以模塊化的方式組成，其中結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)和功能，以及它們的排列影響著蛋白質(zhì)的自組裝。工程基于蛋白質(zhì)的分子材料可以模仿甚至超越其天然的蛋白特性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子序列，使用模塊化策略構(gòu)建功能性淀粉樣蛋白，為定制具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子材料提供了可能，為工程新的多功能分子材料創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。盡管這方面的研究目前已取得了一些進(jìn)展，但融合的結(jié)構(gòu)域模塊是如何影響淀粉樣蛋白的自組裝和功能特性并不清楚，因此需要更深入地了解融合的結(jié)構(gòu)域如何影響淀粉樣蛋白的穩(wěn)定性、形態(tài)、自組裝動(dòng)力學(xué)、機(jī)械性能以及功能等性質(zhì)，這些研究對(duì)于推進(jìn)未來(lái)以淀粉樣蛋白為基的納米技術(shù)或分子材料的應(yīng)用非常重要。

該研究以大腸桿菌生物被膜中的Curli纖維為模型，系統(tǒng)地研究了融合基因模塊對(duì)CsgA的組裝動(dòng)力學(xué)和功能的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要以來(lái)自大腸桿菌生物被膜蛋白的淀粉樣蛋白CsgA為核心，以一個(gè)或兩個(gè)基因模塊為側(cè)翼融合功能域，包括來(lái)自環(huán)狀芽孢桿菌幾丁質(zhì)酶的幾丁質(zhì)結(jié)合域（CBDs）和貽貝足蛋白（Mfps）。研究發(fā)現(xiàn)融合的功能域并沒(méi)有破壞CsgA典型的β-sheet二級(jí)結(jié)構(gòu)，但確實(shí)影響了所得到的融合蛋白纖維的自組裝速率、形態(tài)和剛度：長(zhǎng)度方面，融合蛋白越多會(huì)導(dǎo)致CsgA纖維長(zhǎng)度越短；剛度方面，融合蛋白結(jié)構(gòu)域中的二級(jí)結(jié)構(gòu)β-sheet傾向于提高楊氏模量，而α-helix或者隨機(jī)卷曲結(jié)構(gòu)會(huì)降低楊氏模量。

此外，含有CBD結(jié)構(gòu)域的CsgA纖維表現(xiàn)出更高的幾丁質(zhì)結(jié)合活性，但是融合蛋白CBD-CsgA-Mfp3的幾丁質(zhì)結(jié)合能力明顯低于Mfp5-CsgA-CBD。研究人員推斷這是由于其分子未能正確折疊導(dǎo)致的，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)的建模最終證實(shí)了這一推斷。該研究為模塊基因策略構(gòu)建多結(jié)構(gòu)域的功能性淀粉樣蛋白提供了新的理解，為未來(lái)設(shè)計(jì)基于淀粉樣蛋白的功能分子材料奠定了基礎(chǔ)。

該論文第一作者是我校物質(zhì)學(xué)院2016級(jí)博士研究生崔孟奎，2013級(jí)碩士研究生锜琦（已畢業(yè)）、麻省理工學(xué)院博士后Thomas Gurry為共同第一作者，通訊作者是物質(zhì)學(xué)院材料和物理生物研究部的鐘超教授，上科大是第一完成單位。此外，中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物交叉中心劉聰教授課題組，米蘭理工大學(xué)的Francesco Briatico Vangosa教授以及麻省理工學(xué)院的Timothy K.Lu教授也參與了該項(xiàng)研究。上科大物質(zhì)學(xué)院分析測(cè)試平臺(tái)，中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物交叉中心，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究上海設(shè)施，以及中科院上海光源為材料表征給予了大力支持。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)聯(lián)合基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及上科大科研啟動(dòng)基金的支持。

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基因模塊化構(gòu)建基于CsgA的功能性淀粉樣蛋白

（a）原子力顯微鏡表征CsgA及其融合蛋白的動(dòng)態(tài)自組裝過(guò)程中纖維形貌變化（b）分子動(dòng)力學(xué)模擬CsgA及其融合蛋白的動(dòng)態(tài)自組裝