近日，材料科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials），以封面論文發(fā)表了前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心夏慶友教授團隊的最新研究成果《一種用于開發(fā)功能性絲素蛋白基生物材料的高效生物合成系統(tǒng)》（An E?cient Biosynthetic System for Developing Functional Silk Fibroin-Based Biomaterials），報道了團隊近期開發(fā)的全新高效的家蠶絲腺生物合成系統(tǒng)，實現(xiàn)高附加值外源重組蛋白的高效合成與分泌，以及功能性醫(yī)用絲素基生物材料的遺傳改良，并開發(fā)了熒光絲素基生物材料以及GOx絲素凝膠系統(tǒng)，用于促感染性糖尿病小鼠傷口愈合的研究進展。
圖1. 論文封面圖
家蠶經(jīng)歷長達(dá)數(shù)千年的進化與人工馴化，其絲腺具備了超強的絲蛋白合成與分泌能力。蠶絲蛋白主要由外層的絲膠蛋白（～25%）和內(nèi)層的絲素蛋白（～75%）所構(gòu)成。其中，絲素蛋白因其優(yōu)異的力學(xué)性能，生物相容性，生物降解性，以及形態(tài)可塑性，受到了材料學(xué)、工程學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，在全球范圍目前已有超過十項基于絲素蛋白的醫(yī)療器械產(chǎn)品獲得臨床批文，市場轉(zhuǎn)化與應(yīng)用前景廣泛。
在本研究中，研究團隊針對絲素蛋白是由家蠶絲腺基因編碼合成這一特性，創(chuàng)新提出通過遺傳途徑功能化改造絲素蛋白的策略，賦予絲素蛋白定制化生物功能，拓展其在醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。為此，研究人員首先建立了高效的家蠶絲素生物合成系統(tǒng)（Fib-HEXP），通過系統(tǒng)性優(yōu)化，成功在蠶絲中合成了約占其質(zhì)量7.86%的重組紅色熒光蛋白（RFP）。研究發(fā)現(xiàn)：重組RFP具有與天然RFP一致的分子量，這一結(jié)果確保了外源蛋白正確的空間結(jié)構(gòu)與有效的生物活性。同時，研究還發(fā)現(xiàn)：重組RFP被分泌至絲腺腺腔中后，在經(jīng)后部絲腺轉(zhuǎn)運至中部、前部絲腺以及成纖的過程中，與絲素蛋白一起經(jīng)歷了“勻質(zhì)熒光”、“點狀熒光”、“熒光卒滅”以及“熒光恢復(fù)”等一系列有趣的構(gòu)象變化，這與絲素蛋白在絲腺中轉(zhuǎn)運和成纖過程中經(jīng)歷的“液固構(gòu)象轉(zhuǎn)化”極其一致。因此，為后續(xù)深入研究絲蛋白成纖過程的構(gòu)象變化提供了寶貴素材。
圖2. 新絲腺生物合成系統(tǒng)實現(xiàn)外源蛋白的高效表達(dá)以及絲素生物材料的功能化示意圖。
隨后，團隊利用家蠶合成的重組RFP蠶絲原料，開發(fā)了制備各類絲素?zé)晒馍锊牧系募夹g(shù)工藝，確保了材料制備過程中外源蛋白活性。為測試絲腺生物合成系統(tǒng)的通用性，研究人員進一步創(chuàng)制了高效合成葡萄糖氧化酶（GOx）蠶絲的新型家蠶種質(zhì)素材，利用上述工藝成功開發(fā)了具有抗菌活性的GOx-絲素水凝膠以及GOx-Fe3O4絲素水凝膠系統(tǒng)。該系統(tǒng)以絲素凝膠優(yōu)異的生物相容性為傷口愈合創(chuàng)造良好的微環(huán)境，同時利用絲素中重組表達(dá)的GOx酶催化糖尿病傷口環(huán)境中的高濃度葡萄糖，產(chǎn)生具有殺菌抑菌的H2O2，同時降低血糖濃度，而H2O2又進一步被Fe3O4催化成羥基自由基，從而安全有效抑制了感染創(chuàng)面的細(xì)菌，改善了創(chuàng)面微環(huán)境，加速了血管生成，最終促進了糖尿病小鼠感染性創(chuàng)面的愈合。綜上所述，本研究所開發(fā)的絲素生物合成系統(tǒng)為絲素蛋白的功能化改造提供了強有力的技術(shù)支撐，將進一步拓展絲素生物材料在醫(yī)學(xué)組織工程中的廣泛應(yīng)用。
西南大學(xué)為論文第一署名單位，夏慶友教授為論文最后通訊作者，王峰研究員為論文第一作者和共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2022YFD1201600），國家自然科學(xué)基金（32030103）等項目的大力支持。
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