利用生物大分子进行材料的表面/界面修饰及官能化在提高材料的生物相容性和生物活性方面至关重要，比如细胞培养和诊断工具、药物输送、生物材料和再生医学。作为生命的功能分子，蛋白质可以执行广泛的功能，并可以通过基因工程对其结构进行精确编辑。然而，要充分利用蛋白质的力量，需要一种温和高效且生物相容方法来将其加工成固定形式而不损害其天然结构和功能。经过过去几十年的发展，层层组装（LbL）技术已经成为非常成熟的构建功能薄膜和表面处理的手段。蛋白质对环境和加工条件非常敏感，将其固定到表面时可能发生聚集、变性、沉淀等问题。因此，通过层层组装制备含生物大分子特别是蛋白质的多功能生物界面，并使其像在溶液中一样发挥功能，仍然具有一定的难度。而且，在过去的研究中，人们通常只将蛋白质作为组装的成分之一，或者利用高度带电的蛋白质的静电复合组装，这样得到的多层结构稳定性有限或可能因折叠结构被破坏而损失蛋白质的独特功能。
最近，北京大学张文彬教授课题组、安阳工学院魏静静博士以及香港科技大学孙飞教授课题组三方紧密合作，利用蛋白质分子之间特有的高效生物相容的谍反应（图1）制备出全蛋白质共价结合层层组装多层膜。通常情况下，当使用单一类型化学连接手段进行层层组装时，因为环状结构的形成或者反应对由于空间位阻等因素无法充分接触等原因，反应位点将呈现逐层减少的趋势，从而使多层结构在增长了2-3个单层后停止生长（图2a）。该团队通过将组装基元寡聚化，形成3D的反应簇（图2b），实现多价协同作用，巧妙地保证了多层膜的稳定生长。
图1. 谍反应原理：谍标签与谍捕手生成异肽键。
图2. 多层膜的增长示意图。
生物系统中的许多过程都始于界面识别，受到生物界面上各种外部刺激的极大影响。借鉴生命体的识别与组装原理实现蛋白质多层次多功能的组装，制备具有高效刺激响应性和良好生物相容性的多功能生物界面显得尤为重要。其中光是一种理想的调控生物分子行为的手段，它可以实现更高时间和空间精度的控制，并且在很大程度上减少对生物体系的伤害。该团队在全蛋白层层组装多层膜内引入光响应基团CarHC（CarH蛋白的C-末端结构域），利用其在黑暗条件下与腺苷钴胺素（AdoB12）结合后四聚化，而在光照条件下（<530nm）又可改变其聚集状态的特点，实现了对多层膜内负载蛋白质分子的快速高效释放（图3）。生物表界面状态的光控调节具有非常重要的实用意义。全蛋白体系从原理上保证了生物蛋白类药物、细胞等活性的无损引入，在药物递送、生物电催化以及蛋白质和细胞的可逆吸附和抗吸附等方面显示出极大的潜能。
图3. 全蛋白多层膜在光照条件下高效释放蛋白质分子。
以上成果发表在ACS Macro Letters, 2018, 7, 514-518 (DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00147) 上，论文的第一作者为安阳工学院魏静静博士，通讯作者为北京大学张文彬教授和香港科技大学孙飞教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmacrolett.8b00147
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