化学系张洪杰/刘凯团队发展生物法制备高强高模稀土蛋白生物纤维

基于蛛丝蛋白的生物蛋白纤维具备轻质且机械坚固的性能,从而引起了广泛关注。目前,力学性能提升主要取决于重组蛋白的折叠结构和超高分子量,这使得构建和表达目标力学蛋白的纯度和产量的难度增加。因此,开发用于制造坚固轻质高性能生物纤维的替代策略尤为重要。

鉴于此,清华大学化学系张洪杰、刘凯研究团队受启发于贻贝类蛋白的多重作用力,借助合成生物学技术,并充分发挥稀土在制备高技术材料领域的独特优势,通过引入稀土离子进行力学功能蛋白的体外翻译后修饰,强化了稀土金属离子和氨基酸侧链邻苯二酚之间的络合作用,成功制备出具有高模量和高度可塑性的稀土蛋白生物纤维。此项工作为工程化制备轻质高强高模生物纤维提供了新的策略。

图:生物法制备轻质高强高模稀土蛋白生物纤维及纤维高度可塑性

 研究人员通过蛋白质工程、生物合成等手段表达出一系列带有正电荷的力学功能蛋白。然后通过静电作用引入多巴胺侧链基团,设计并制备了一种轻质、可强拉伸(~400%)、且具有高机械强度的生物蛋白纤维。与传统生物纤维调控力学性能不同,该工作通过多引入多种超分子相互作用(包括静电相互作用,金属配位螯合,氢键和阳离子-π相互作用),所制备的蛋白纤维的机械性能得到有效地调控。特别是使用稀土Tb3+离子进行体外翻译后修饰,蛋白纤维中的杨氏模量(~10GPa)可与天然蜘蛛丝相当。另一方面,该类稀土生物蛋白纤维表现出优越的可拉伸性,高度可塑性以及强荧光性能。该类稀土生物材料兼具轻质高刚度和强度、生物安全性和光致发光的优势,为探索及发展新一代可穿戴高技术材料提供了新的研究思路。该工作于近期发表在中国化学会旗舰期刊CCS Chemistry

 

 

论文信息Proteinaceous Fibers with Outstanding Mechanical Properties Manipulated by Supramolecular Interactions, CCS Chem. 2020, 2, 1669–1677.

Jing Sun, Bo Li, Fan Wang, Jing Feng, Chao Ma, Kai Liu, and Hongjie Zhang
       
https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000231