微生物合成超大分子量肌联蛋白高性能纤维

当今的高性能聚合材料多来源于石油化工，且经过复杂的、高能耗、高污染的化学过程生产而来。基于微生物发酵的生物合成既环保又节约能源，且可再生，但是微生物合成的材料很少具有优秀的机械性能。近日，圣路易斯华盛顿大学的张福中团队利用合成生物学使微生物合成高性能纤维材料变得可行。

该方法通过微生物发酵大量合成超高分子量的肌联蛋白(titin)。肌联蛋白是肌肉组织中三大主要蛋白质之一，它是自然界中已知最大的蛋白质，其天然分子量可达3 兆道尔顿。天然肌联蛋白在微观尺度具有很多出色的机械性能，这些性能都与它的超大分子量息息相关。近年来，研究人员一直在尝试设计出与肌联蛋白具有相似特性的材料，以应用于医学工程、机器人材料、航天科技等诸多领域。但化工合成的聚合物远达不到肌联蛋白的性能；从动物身上提取肌联蛋白不仅造价高昂，且如何将其微观尺度的性能转化到宏观材料存在巨大的挑战。

图1. 在大肠杆菌内部聚合生产肌联蛋白。图片来源：Nat. Commun.

利用微生物合成超大分子量的肌联蛋白也是非常有挑战的，因为它的分子量比微生物自己最大的蛋白还要大10倍以上。为了解决这个技术难题，张福中教授的团队发明了一种可以在微生物活体细胞内进行聚合反应的方法。研究人员首先选取肌联蛋白的一小片段并将其在微生物细胞内过量表达，然后利用断裂蛋白质内含子（intein）将这些肌联蛋白片段逐一连接成约2兆道尔顿大小的超高分子量聚合物，大概是平均细菌蛋白质大小的50倍。随后，他们利用湿纺技术将肌联蛋白聚合物转变成约10微米的纤维，大概是人类头发直径的五分之一。测试表明，这些纤维不仅具有和天然肌肉纤维类似的优秀机械特性（高阻尼能力和快速机械恢复），而且还具有高强度（378±41 MPa）和高韧性（130±15 MJ/m³），甚至高于许多人造和天然高性能纤维。

图2. 肌联蛋白纤维的机械性能：高强度（左）和韧性（中）与高阻尼能力和快速机械恢复（右）。图片来源：Nat. Commun.

张福中实验室还与华盛顿大学的Young-Shin Jun教授和西北大学的Sinan Keten教授合作，对肌联蛋白纤维的结构和分子作用机理进行了研究。结果表明，该纤维包含轴向且横向排列的免疫球蛋白样结构域，且其突出的机械性能可能来源于折叠的免疫球蛋白样结构域独特的链间配对，该结构既可抵抗链间滑动，同时允许链内展开。

该研究合成的肌联蛋白纤维具有很好的生物相容性和生物降解性，使其无论在医学工程（例如缝合线和组织工程）还是高性能纺织品（例如防护盔甲和防弹材料）等领域都是绝佳的候选材料。该研究开发出的微生物合成的方法不仅适用于肌联蛋白，且可以应用于其他材料蛋白，从而合成出更为多元化的高性能材料。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章第一作者是圣路易斯华盛顿大学博士研究生Christopher H. Bowen和Cameron J. Sargent。

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Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties

Christopher H. Bowen, Cameron J. Sargent, Ao Wang, Yaguang Zhu, Xinyuan Chang, Jingyao Li, Xinyue Mu, Jonathan M. Galazka, Young-Shin Jun, Sinan Keten & Fuzhong Zhang 

Nat. Commun., 2021, 12, 5182, DOI: 10.1038/s41467-021-25360-6