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研究内容
蛋白质已被天然生物体用来制造坚固的生物粘附材料，如微生物和藤壶中形成的生物膜和淀粉样蛋白斑块。在这些情况下，β-片堆叠被认为是与蛋白质界面粘附密切相关的关键特征。
与关于由β-片堆叠引导的蛋白质表面粘附的报道相反，陕西师范大学杨鹏和任浩通过提出一种α-螺旋介导的蛋白质界面粘附模型来探究这一认识。以牛血清白蛋白(BSA)为模型蛋白，作者发现BSA中二硫键的还原导致未折叠的BSA随机卷曲，拖动α-螺旋聚集在固液界面(SLI)。然后，α-螺旋中的疏水残基暴露并突破SLI的水化层，随后亲水和疏水残基随机沉积，实现界面粘附。相关工作以“α‑Helix-Mediated Protein Adhesion”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
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研究要点
要点1.淀粉样蛋白BSA是自然界中最常见的α-螺旋主导蛋白之一，含有约60%的螺旋结构，被选为本研究的模型蛋白。在蛋白质粘附过程中，β-片堆叠不是首先在溶液中形成的，而是在蛋白质经历α-螺旋介导的界面吸附并将α-螺旋结构转化为β-片堆积后在界面处形成的。这一发现表明，在蛋白质的界面粘附后可能形成β-片状吞噬淀粉样蛋白。
要点2.在还原BSA的二硫键解锁高能α-螺旋后，发现未折叠蛋白链在界面上的粘附是由α-螺旋暴露的丰富官能团与界面之间的相互作用以及吸附层中的分子间二硫交联驱动的。
要点3.与传统的β-片是界面粘附，特别是蛋白质-淀粉样蛋白的关键基础的知识相反，作者提出了三个以前未被认识到的发现：
（1）淀粉样蛋白界面粘附首先由具有α-螺旋结构的吸附蛋白链提供，并通过分子间二硫键的重组进一步辅助；
（2）虽然由高含量的α-螺旋结构组成的蛋白质可以提供强大的界面粘附力，但这种粘附力可能随着界面从α-螺旋向β-片的逐渐过渡而减弱；
（3）高水平控制蛋白质在界面上的粘附进一步提供了一种简单的策略，可以在几乎任意的材料表面上制备含有单分子层或少量分子层的淀粉样蛋白纳米膜，具有很强的粘附性能，并表现出良好的耐酸、碱、有机溶剂、超声波和胶带剥离性，这显示出改性低表面能材料的优异潜力。
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研究图文
图1. 通过α-螺旋介导的界面粘附模型(作为模型蛋白的展开BAS)从本体溶液到固液界面(SLI)的蛋白质粘附途径示意图。
图2. rBSA在云母表面自组装行为的MD模拟。
图3.（a）BSA的二硫键还原和随后在SLI处的组装的示意图。（b）反应溶液中NPM形成rBSA的荧光测定(插图：游离硫醇和NPM之间的特定反应)。（c）FTIR光谱表征了不同孵育时间后天然BSA和rBSA溶液的二级结构百分比。（d）通过不同的AF4分析，rBSA在本体溶液中的聚集体数(Nw，agg)。（e）在1秒内rBSA聚集体在云母表面上的液相AFM (左：高度图像，右：相位图像)。（f）天然BSA和rBSA在云母表面的随时间变化的表面覆盖率。（g，h）在天然BSA和rBSA的吸附过程中，QCM-D频率偏移作为时间（g）和吸附质量（h）的函数。插图：天然BSA和rBSA吸附的ΔD-ΔF图。
图4.（a）实时AFM动态视频的快照和rBSA在云母上聚集的示意图（记录约7分钟后，首次在云母表面检测到rBSA）。rBSA纳米膜在云母上孵育55分钟（b，c）和95分钟（d，e）的AFM形态图像（b，d）和高度图（c，e）。（f）rBSA几层纳米膜40分钟孵育时间的AFM横截面图像(插图：沿着AFM图像中绘制的线的高度轮廓)。（g）用椭圆仪检测的rBSA纳米膜的厚度与孵育时间的关系(插图：前60分钟的放大图)。（h）石英上典型的几层rBSA纳米膜涂层的透射率(插图：用几层r牛血清白蛋白纳米膜涂覆的石英的照片)。（i）天然BSA和石英板上的单层(10分钟)、单层(40分钟)和多层(2小时，7小时)rBSA纳米膜的CD光谱。（j）从去卷积傅立叶变换红外(FTIR)光谱中天然BSA吸附层和rBSA纳米膜的时间分辨二级结构演变。比例尺，对于（b）、（d）和（f）为200 nm。
图5.（a）使用SAM修饰的AFM探针进行粘附测试的示意图。（b）用COOH探针(比例尺，5μm)测量的单层、少层和多层rBSA纳米膜在云母上的附着力的力映射图像。（c）单层、少层和多层rBSA纳米膜在云母上的粘附力和相应的α-螺旋含量随孵育时间的统计分析。（d）PCA后SLI处的单层和多层rBSA纳米膜的TOF-SIMS数据的记分图。（e）PCA负荷图和PC1主峰的分配(93%)。(将少层rBSA纳米膜数据设置为参考。疏水性和亲水性残基分别用橙色和蓝色点标记)。（f）少层rBSA纳米膜和rBSA溶液中三种新形成的二硫键组分的统计分析。（g）在少层rBSA纳米膜中交联二硫键重组的五个主要硫醇位点。（h）Cys101、Cys315和Cys513附近氨基酸的微环境分析。
图6.（a）α-螺旋介导的蛋白质在表面上的粘附以及随后的蛋白质纳米膜形成的示意图。（b）少层rBSA纳米膜的WCA改性基质。（c）在超声剥离前后，若丹明B染色的由花状贴纸图案化的少层蛋白质纳米膜的荧光图像。（d）在3M胶带剥离和超声处理(比例尺，200 nm)之后，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上的几层rBSA纳米膜的AFM。（e）在抵抗极端pH、有机溶剂和活性剂后，通过心形堆叠器图案化的少层rBSA纳米膜，显示出良好的亲水性(保持ThT染色的水滴)。（f）用pH=1和pH=11溶液处理1小时(比例尺1.0 μm)后，PDMS上的几层rBSA纳米膜的AFM。（g）硅片上剥离前后的几层和多层rBSA纳米膜的厚度(插图：剥离前后的多层蛋白质纳米膜的光学照片)。
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文献详情
α ‑ Helix-Mediated Protein Adhesion
Yingying Zhang, Yongchun Liu, Yonggang Liu, Ping Zuo, Shuting Miao, Bowen Hu, Yu Kang, Wei Liu, Qingmin Yang, Hao Ren,* Peng Yang*
J. Am. Chem. Soc.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c03581
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