蛋白质是一类具有精确结构和独特功能的生物大分子。理解并运用蛋白构筑特定功能材料，是一个非常有意义，且极具挑战性的工作。早在上世纪九十年代，人们就利用电荷复合作用、卷曲螺旋作用、糖-蛋白结合作用等制备了多种含有天然蛋白质的薄膜体系，将酶等功能蛋白固定在薄膜中，发挥作用。这些方法对蛋白的电性有特定的要求，并不是普适的方法，而且所得到的薄膜是物理复合的薄膜，其稳定性亦有限，因此，此类含蛋白功能薄膜的制备和应用都受到很大的限制。
针对这一问题，张文彬教授和杨曙光教授团队基于彼此正交的谍蛋白反应对（SpyCatcher/SpyTag）和探蛋白反应对（SnoopCatcher/ SnoopTag），设计出具有互补反应性的蛋白质构筑单元（CBC和DAD），实现了共价交联的全蛋白质层层组装功能薄膜（图1）。
图1. 通过正交的“谍化学与探化学”实现共价交联的全蛋白质层层组装
该设计以弹性蛋白为基质，以排除谍反应和探反应严苛的空间要求对于膜生长的影响，同时，在CBC蛋白中，可以模块化地引入折叠蛋白结构域（比如超级铀结合蛋白SUP）。利用该融合蛋白CBC-SUP与DAD交叉反应亦可以实现稳健的薄膜生长。蛋白质天然的刺激响应性赋予了薄膜对于多重刺激的敏感和响应性（比如pH，温度，离子强度，多种二价阳离子等）。超级铀结合蛋白的引入则进一步赋予了蛋白质薄膜（CBC-SUP/DAD）特异性吸附铀酰阳离子的特性。
图2. 将负载有SUP的CBC/DAD多层蛋白功能超薄膜应用于海水提铀
团队进一步将这种全蛋白质层层组装的方法拓展到非生物基的材料（比如硅胶）的表面功能化。他们在硅胶表面实现了全蛋白质层层组装，并仔细研究了材料吸铀的能力，发现其吸铀容量和效率均与硅胶表面的蛋白质层数与含量线性相关。更有趣的是，在多层膜中，不仅内层膜在结合铀酰离子方面和外层一样有效，多层结构之间的SUP还可以起到一定的协同作用，促进铀酰离子的结合效率。同时，由于多层膜结构的存在，即使经过多次吸铀循环，该材料的性能并没有太大损失。该工作利用正交的蛋白反应实现了全蛋白质层层组装，为有效结合蛋白质和非生物基材料的功能提供了一个功能强大的平台，其应用示例使用含有SUP的蛋白质功能薄膜实现了从含有极微量铀酰离子（10 nM）的海水中高效提取铀，有望为解决海水提铀这一公认的、可改变世界的七大化学分离挑战提供新的解决思路，并可能被拓展到一系列其他的应用领域，比如酶工程和生物传感器等。
以上成果发表在Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00190）上，论文的第一作者为北京大学化学与分子工程学院与东华大学材料科学与工程学院联合培养博士生张雪健，通讯作者为张文彬研究员和杨曙光教授。香港科技大学的孙飞教授和北京大学化学学院应用化学系的刘春立教授亦参与了该合作研究。
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