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物理学家揭示贻贝粘附蛋白超强的耐盐粘附能力的结构密码

编辑: 时间:2020年09月08日 访问次数:230

贻贝通过分泌粘附蛋白牢固地吸附在海水中的礁石上,这种海洋生物所特有的在潮湿环境中超强的耐水耐盐粘附能力引起广泛关注。由于贻贝粘附蛋白具有适用范围广、耐水耐盐、持久性、高强度和生物相容性好的优点,在诸多领域特别是医学和生物工程领域有着重要的应用前景,例如创口和手术切口的粘接、骨骼修复等。从八十年代开始就有研究探索贻贝粘附蛋白超强吸附能力的作用机制,并发展相应的仿生材料。尽管已进行了三十多年的研究,人造的贻贝仿生材料的粘附效果依然与天然蛋白有着很大差距。

贻贝粘附蛋白的特征之一是存在大量的特殊氨基酸多巴(通过络氨酸的羟基化修饰),含量可达20-30 mol%,其粘附能力常被归因于多巴。近来有证据表明,贻贝粘蛋白中的正电氨基酸赖氨酸也有助于蛋白的粘附。但是蛋白结构特征的刻画与贡献却往往被忽略,关于贻贝粘附蛋白粘附能力的机制的了解仍不全面。这显著地制约了关于贻贝仿生材料的设计以及耐水耐盐吸附性能的有效提高。

有鉴于此,浙江大学物理系李敬源课题组联合南京大学物理学院等单位的合作者,通过对蛋白结构特征进行关联分析,从生物物理的角度揭示了贻贝粘附蛋白对亲水表面极强的粘附能力的结构基础。作者利用分子动力学模拟发现这种固有无序蛋白结构中多巴与正电氨基酸在空间分布上存在明显的相关性,并形成配对结构(图1)。作者进一步研究了蛋白在超亲水材料云母表面吸附的动力学过程。蛋白的吸附主要来源于正电氨基酸与云母表面负电中心的静电吸引作用,而最困难的步骤在于材料表面的去水合。在这个阶段多巴的运动促进了固液界面处水分子以及水合离子的运动,并帮助配对的正电氨基酸突破界面水合层(图2)。分子动力学模拟进一步发现未修饰蛋白的络氨酸也可以与正电氨基酸具有类似的空间关联形式,并表现出相当的粘附效果(图3)。上海科技大学杨凌云博士合作使用核磁共振波谱确认了未修饰蛋白中络氨酸与赖氨酸之间的配对结构。南京大学曹毅课题组通过剪切拉伸测试方法对比了含有络氨酸以及多巴的贻贝粘附蛋白的粘附特性,证实含有未修饰络氨酸的蛋白同样具有超强的耐水耐盐粘附能力(图4)。

该研究结果表明,贻贝粘附蛋白超强吸附能力来自其结构中多巴/络氨酸与正电氨基酸之间物理上的空间关联,而非来自络氨酸的化学修饰。这一研究成果扩展了人们对于海洋粘附生物贻贝超强耐水耐盐粘附能力的理解,为合理设计发展贻贝仿生材料拓展其在相关生物医学领域的应用提供了理论指导。相关论文发表在SCIENCE ADVANCES杂志,浙江大学物理系博士后欧新文、南京大学物理学院副研究员薛斌为该论文的第一作者。

 

1. 贻贝粘附蛋白中多巴和正电氨基酸的空间关联。(A-C)蛋白构象。(D)不同类型氨基酸的相关性矩阵。

 

2. 蛋白在云母上的吸附过程。(A-C)蛋白吸附的初始和最终构象,蛋白与云母的接触原子数(D)参与蛋白吸附的氨基酸对。(E-F)特定氨基酸对的结合过程。

 

3. 未修饰蛋白的构象和吸附。(A)蛋白构象。(B)不同类型氨基酸的相关性矩阵。(C-D)蛋白吸附在云母上的典型构象,氨基酸对用绿色虚线圆圈表示。蛋白与云母的接触原子数。

 

4. 核磁共振谱和剪切拉伸测试。(A)未修饰肽链的2D 1H-1H NOESY 核磁共振谱。红色圆圈表示Tyr芳香环氢原子和赖氨酸的R-CH2-R的烷基氢原子的关联信号。(B)不同蛋白浓度未修饰蛋白的粘附强度。(C)蛋白BSA,未修饰蛋白和修饰蛋白的粘附强度。

 

参考文献:

X. Ou, B. Xue, Y. Lao, Y. Wutthinitikornkit, R. Tian, A. Zou, L. Yang, W. Wang, Y. Cao, J. Li, Structure and sequence features of mussel adhesive protein lead to its salt-tolerant adhesion ability. Sci. Adv. 6, eabb7620 (2020).