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小小魷魚，它身體里這個(gè)材料竟然能夠解決塑料危機(jī)！
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2023-05-19 14:12:58
雖然帽貝可能被認(rèn)為是最強(qiáng)的生物材料，但它們并不是唯一擁有“超”能力的海洋生物。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，排列在魷魚觸手吸盤上的牙齒可能會(huì)是一種新的自我修復(fù)材料。


可以重新長出“觸手”的“魷魚博士”


相比于帽貝的一動(dòng)不動(dòng)就能獲得食物，魷魚則需要有環(huán)齒咬住獵物，承受著較大范圍內(nèi)的壓縮力和剪切力。因此，魷魚需要有堅(jiān)硬而又靈活的牙齒。


我們小時(shí)候大人總告訴我們要保護(hù)牙齒，因?yàn)檠例X壞掉就只能去補(bǔ)牙了，又貴又受罪。然而，魷魚寶寶們肯定不需要聽“家長”們的嘮叨，因?yàn)轸滛~環(huán)牙具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在受到損傷之后仍會(huì)重新長出來。



魷魚環(huán)齒是魷魚觸須上捕獲獵物時(shí)起吸附作用的結(jié)構(gòu)，這種特殊的組織結(jié)構(gòu)主要由相應(yīng)的魷魚環(huán)齒（squid ring teeth, SRT）蛋白組成，這些氨基酸形成緊密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)可以反復(fù)斷裂和重組——牙齒甚至可以在沸水中軟化，并在冷卻后恢復(fù)硬度。由于其具有優(yōu)異的機(jī)械性能，近些年來引起了很多生物學(xué)家和材料學(xué)家的關(guān)注。


科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這種獨(dú)特的性質(zhì)引起了科學(xué)家們的關(guān)注，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)Melik Demirel教授在過去10年中一直在研究這些蛋白質(zhì)，并成立了一家公司來開發(fā)它們的潛力。他們將魷魚基因插入細(xì)菌中，創(chuàng)造了一條生產(chǎn)環(huán)齒蛋白纖維的管道。這種纖維具有高強(qiáng)度和韌性，并且在水中保持很好的形態(tài)，不會(huì)發(fā)生收縮等問題。因此，Demirel及其外科同事表明，這種纖維材料可以用于修補(bǔ)腹壁等。


獲得的蛋白纖維可以解決塑膠危機(jī)


塑料制品的出現(xiàn)一方面給我們的生活增添了諸多便利，另一方面也使我們面臨一場前所未有的危機(jī)。從海洋最深處的馬里亞納海溝到人跡罕至的南北極，人類造成的這場白色污染，其影響之深令人觸目驚心。


為了解決塑料危機(jī)，合成生物學(xué)家同樣在做著諸多努力，其中一種思路是改造工程菌使其能高效降解PE等塑料制品原材料，從而降低其對(duì)環(huán)境造成的污染。另一方面，科學(xué)家們也在積極尋找塑料的替代品，使我們能更安心地享受塑料制品給我們帶來的便利。



目前SRT蛋白已被考慮應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如粘合劑、傷口敷料、電子設(shè)備、傳感、智能可修復(fù)紡織品以及耐磨微纖維等。另外，由于其化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)，相比于聚乙烯等化工原料制成的聚合物來說更易被降解。


因此，環(huán)境友好的生物材料SRT蛋白可能會(huì)幫助我們緩解塑料危機(jī)。


01 設(shè)計(jì)與合成


限制SRT蛋白應(yīng)用前景的一大因素是其生產(chǎn)成本，一只平均重量0.5公斤的魷魚只能產(chǎn)出約100mg的SRT蛋白，因此，直接從天然的魷魚身上提取這種材料顯然是非常不經(jīng)濟(jì)的。合成生物學(xué)的發(fā)展使人們能利用經(jīng)過基因工程改造的細(xì)菌、酵母等微生物高效的生產(chǎn)很多材料。與從魷魚身上提取相比（10美元/克），使用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)SRT蛋白極大地降低了這一過程的成本（使用經(jīng)過優(yōu)化的工藝可使成本降低至10美元/千克）。


經(jīng)過基因工程改造的大腸桿菌是目前在工業(yè)生產(chǎn)蛋白質(zhì)中使用最廣泛的底盤之一，其目前也被用于SRT蛋白的生產(chǎn)。SRT蛋白單體的氨基酸序列大致可分為兩段，其中一段為剛性的晶體結(jié)構(gòu)，主要由甘氨酸通過氫鍵形成的β折疊片結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而另一段則為無定型區(qū)域，其為富含甘氨酸和酪氨酸的柔性鏈。天然存在的SRT蛋白由這些SRT蛋白單體通過串聯(lián)重復(fù)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中的β折疊片起到交叉連接的作用。傳統(tǒng)方法主要通過合成單體蛋白后進(jìn)行交叉連接的方式進(jìn)行高分子量蛋白聚合物的生產(chǎn)，由于交聯(lián)過程的不穩(wěn)定性，這樣的生產(chǎn)方式會(huì)引入許多的結(jié)構(gòu)缺陷，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的材料在性能上遜色于天然狀態(tài)。



因此，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種被稱為保護(hù)性消化滾動(dòng)環(huán)擴(kuò)增的方法（protected digestion rolling cirle amplification, PD-RCA），該方法能夠精準(zhǔn)控制產(chǎn)品重復(fù)序列的數(shù)量，克服了傳統(tǒng)方法存在的缺陷。



首先，該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)當(dāng)?shù)氐膸讉€(gè)魷魚物種SRT蛋白的分析得到其剛性片段（PAAASVSTVHP）和柔性片段（STGTLSYGYGGLYGGLGYG）的氨基酸序列，將其（上圖TR序列）從構(gòu)建的質(zhì)粒上消化下來并進(jìn)行環(huán)化自連接，形成環(huán)形的單體TR序列（這里應(yīng)該也能產(chǎn)生多聚環(huán)狀），DNA聚合酶圍繞環(huán)狀DNA進(jìn)行滾動(dòng)復(fù)制產(chǎn)生具有隨機(jī)串聯(lián)重復(fù)數(shù)量的線性寡聚DNA序列，之后通過電泳選取合適大小的片段，再將其連接到表達(dá)載體中，從而精確地控制了最終產(chǎn)物的重復(fù)單元數(shù)量（具體過程見上圖）。


02 理化性質(zhì)


SRT蛋白材料的理化性質(zhì)主要受以下因素影響：


（1）氨基酸組成。例如，SRT蛋白含有約11%組氨酸（pKa=6.0），因此可根據(jù)pH調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)電荷從而改變其質(zhì)子傳導(dǎo)性。


（2）二級(jí)結(jié)構(gòu)（無規(guī)卷曲、α-螺旋、β-折疊）含量。有序結(jié)構(gòu)域如β-折疊結(jié)構(gòu)提供機(jī)械強(qiáng)度，而無序結(jié)構(gòu)域?yàn)椴牧咸峁椥院腿犴g性。


（3）材料的整體網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。SRT材料可被認(rèn)為是一種網(wǎng)絡(luò)蛋白凝膠，通過調(diào)整SRT蛋白串聯(lián)重復(fù)的數(shù)量，可使材料表現(xiàn)出從完美網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（串聯(lián)重復(fù)數(shù)多，無序結(jié)構(gòu)連接相鄰β折疊片形成納米晶體結(jié)構(gòu)）到有缺陷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（串聯(lián)重復(fù)數(shù)低，存在許多鉸線結(jié)構(gòu)）的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。絞線結(jié)構(gòu)有助于材料的應(yīng)力承載和傳輸，且材料的密度最大化（空間利用率高）可改善材料性能。因此可通過調(diào)整SRT蛋白的分子量和串聯(lián)重復(fù)來優(yōu)化其機(jī)械和傳輸性能。


03 制造與加工


如前所述，SRT單體蛋白的交聯(lián)過程主要通過β折疊片間的氫鍵實(shí)現(xiàn)，因此這種非共價(jià)的交聯(lián)方式是可逆的，通過酸液、表面活性劑或有機(jī)溶劑等可促進(jìn)β折疊片的破壞，從而使蛋白溶解（溶劑殘留物可通過蒸發(fā)等方式從最終產(chǎn)品中去除）。另外，通過加熱也可以對(duì)SRT蛋白進(jìn)行熱塑性處理，從而優(yōu)化其納米結(jié)構(gòu)。



總之，利用溶解和熱基處理的方法，結(jié)合傳統(tǒng)的材料加工工藝（如擠出、噴射、層壓等），可以使SRT蛋白在微觀和宏觀尺度上被加工成性能各異的材料：例如，通過滴鑄制造的獨(dú)立式透明柔性SRT薄膜可被用作基材、膜或支撐材料、可生物降解的傳感器和可拉伸的質(zhì)子導(dǎo)體的制造；利用SRT蛋白制成的仿生翅膀表現(xiàn)出與昆蟲翅膀類似的理化性質(zhì)（機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性）；使用基于模板的納米潤濕和毛細(xì)管微模塑法制造的SRT納米結(jié)構(gòu)薄膜可被用于生產(chǎn)高縱橫比的納米纖維陣列等。


04 SRT涂層減少微塑料釋放


微塑料（粒徑小于5mm的塑料顆粒）作為人類活動(dòng)的污染物，已廣泛存在于自然界中，微塑料被生物攝入后再通過食物鏈的富集作用最終可進(jìn)入人體，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的健康威脅。


由于人口急劇增加導(dǎo)致的對(duì)紡織品的需求大幅上升，聚酯、尼龍等制成的合成纖維逐漸替代了天然纖維（羊毛、棉花等），而洗滌的過程會(huì)導(dǎo)致衣物產(chǎn)生微小的磨損，從而導(dǎo)致聚酯纖維、尼龍纖維等形成微塑料顆粒，再由地表水或地下水排放到環(huán)境中。因此，這些材料的使用在一定程度上促進(jìn)了微塑料污染。


目前有很多研究旨在通過提高污水過濾效率以及清除環(huán)境中的微塑料來減輕這種污染，在這里作者另辟蹊徑，試圖通過SRT蛋白制成的涂層材料減輕衣物洗滌過程中產(chǎn)生的磨損，從而在源頭上緩解微塑料污染。經(jīng)測試，涂有SRT涂層的超細(xì)纖維布在磨損測試中表現(xiàn)優(yōu)異。


在后續(xù)研究中，該團(tuán)隊(duì)對(duì)SRT基材料（SRT-based materials）的光學(xué)特性等性質(zhì)進(jìn)行了分析，并探討了SRT材料應(yīng)用于可修復(fù)涂層、具有環(huán)境檢測功能的“智能”服裝、柔性光學(xué)組件等領(lǐng)域的前景。


德米雷爾說：“SRT具有生物相容性和可生物降解性，因此不僅可用于制造可穿戴的健康監(jiān)測器，還可用于生物傳感和生物檢測的植入式設(shè)備。”


基于SRT的材料優(yōu)于合成材料和由化石燃料制成的塑料的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其環(huán)保性。


SRT蛋白質(zhì)便宜且易于從可再生資源中生產(chǎn)出來，研究人員已經(jīng)找到了一種生產(chǎn)它的方法而不會(huì)捕獲魷魚的方法。


德米雷爾說：“我們不想耗盡天然魷魚資源，因此我們利用轉(zhuǎn)基因細(xì)菌中生產(chǎn)這些蛋白質(zhì)。該過程基于發(fā)酵糖，水和氧氣生產(chǎn)生物聚合物。“


總結(jié)：


魷魚齒環(huán)蛋白質(zhì)可以全程在實(shí)驗(yàn)室使用基因工程細(xì)菌做出來，不需要用到任何魷魚，制作過程以發(fā)酵為主，只需糖、水和氧氣。這樣我們就不用擔(dān)心“蛋白質(zhì)塑料”會(huì)像塑料那樣造成環(huán)境污染了。


那么，我們既然可以在魷魚里發(fā)現(xiàn)塑料的替代物，那么是不是表明：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們還可以從其他海生、陸生以及一切生物中發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)有資源的替代物呢？這一點(diǎn)值得我們深思。



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