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因为实验器皿洗不干净，他以此为灵感造出一种蛋白质基水下胶水；因为吃火锅弄脏了 T 恤，他又以此为灵感造出一种无需洗衣粉的蛋白质涂层。十多年来，蛋白质类淀粉样涂层，一直是陕西师范大学教授杨鹏的主攻方向。

蛋白质，是生物体内至关重要的组成部分，它在各种生命活动中起着至关重要的作用。蛋白质聚集体（如膜），则是生物体内一种常见的结构形式。对于生物体来说它可以通过精确调控蛋白质聚集体的结构和功能，来发挥不同的作用。

自然界中存在的蛋白膜，为制造人工蛋白质膜提供了许多灵感。目前，蛋白质膜在生物医学、电子学、农学、光学、包装等领域已经展现出广泛的应用前景。

然而，蛋白质膜领域依旧面临着两个重要挑战：

其一，如何使用简单、廉价、环保、高效的方法，来制造大面积、均匀、性能和结构可调的蛋白质膜，以便在工业中开展大规模生产；

其二，如何在薄膜制备过程中保持蛋白质的生物活性，同时实现功能性组件的封装和释放，而不会失去其功能。

为解决上述两个挑战，杨鹏研发一种蛋白质淀粉样组装新方法——“类淀粉样蛋白质聚集”法。

图 | 杨鹏（来源：刘永春）

日前，相关论文以《利用解折叠-聚集策略从常见蛋白质合成坚固的水下胶》（Synthesis of robust underwater glues from common proteins via unfolding-aggregating strategy）为题发在 Nature Communications[1]，刘永春博士是第一作者，杨鹏担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

要想了解这一新方法先得从“淀粉样组装法”说起。淀粉样组装法，可以让数百种蛋白质在特定情况之下，形成具有丰富 β-折叠的蛋白质组装体。

受到传统淀粉样组装法的启发，该团队提出了“类淀粉样蛋白质聚集”法，即通过在近生理条件之下添加二硫键还原剂来解折叠蛋白质。

由于蛋白质内部具有亲水性，而其外部富含疏水性的结构，因此解折叠的两亲性蛋白质能够聚集成纳米级寡聚体，并在界面处形成具有纳米厚度的大面积二维蛋白质薄膜（可达到平方米级别）。利用类淀粉样蛋白质聚集的方法，可以将天然蛋白质组装成大尺寸的超分子纳米薄膜，在结构和功能上均具备可调节性。

为了解决保持蛋白质活性的问题，课题组提出化学选择性反应诱导的蛋白质聚集概念。

其中，二硫键就像一把锁一样可以让蛋白质结构保持稳定，并能维持其生理活性。一旦这把锁被彻底打开，蛋白质的生理结构可能会被破坏，从而导致活性降低甚至失去活性。

受到化学选择性反应的启发，他们使用还原能力较弱的还原剂，对远离蛋白质活性位点的二硫键进行断裂，以便保留蛋白质的活性。

（来源：Nature Communications）

一个材料的应用潜力，在很大程度上取决于其本身的性能。蛋白质膜材料具备丰富的化学基团和可调节的结构，因此在生物、医学、农业、工业等领域具有巨大的应用潜力。

在应用场景的探索上，通过调整蛋白质膜表面的化学基团，该团队制备出一种蛋白质薄膜，其具有抗菌、抗微生物粘附的特性。这些薄膜可用于医疗器械和植入材料的涂层，以便提高其生物相容性。

此外，蛋白质膜还具有诱导矿化的能力，因此在骨科和牙科等领域具有潜在应用价值。同时，这些薄膜还可以与其他离子相互作用，以用于贵金属回收以及去除有毒金属离子。也可以将金属引入到蛋白质膜中，用来制备可穿戴设备或者直接作为仿生酶催化剂。

另外，蛋白质膜灵活可调的物理结构，也为实现多种应用提供了可能。由于 2D 蛋白质膜的尺寸和厚度都能够被灵活调控，因此它非常适用于从宏观物体到微观颗粒的表面改性。

同时，蛋白质膜还具备灵活调整孔径大小的能力，故可用于分子分离、透析、以及受控药物的释放。通过构建具有微/纳米结构的蛋白质薄膜表面，还可以生成超疏水表面，从而制备防粘液类产品比如酸奶盒子的不粘盖。

（来源：Nature Communications）

曾从鸡蛋中提取蛋白质

材料，是杨鹏从本科开始就一直在打交道的领域。早年间，在北京化工大学材料学院读完本科和博士之后，他先后在德国马普研究所和美国杜克大学从事博士后研究。后来，他在日本东京大学担任特聘研究员。

2012 年，杨鹏正式回国加入陕西师范大学，并将研究方向转为研发蛋白质类淀粉样涂层。在长达十多年的研究中，可以划分为三个关键阶段。

首先是类淀粉样蛋白质薄膜的创制。

十一年前，课题组首次发现一种从鸡蛋中提取的蛋白质——溶菌酶，在加入还原剂之后它会迅速发生相转变，从而形成串珠状的分级超分子组装体，并能迅速附着在其他材料表面，进而形成类淀粉样蛋白质涂层。由于这一方法无需人工合成，故能避免化学/物理激活/去活化（阻塞）等步骤。

十多年来，他们不断改进这一方案。目前，该团队已经发现 20 多种能通过类淀粉样组装形成薄膜的动植物蛋白质，包括胰岛素、牛血清白蛋白、α-乳清蛋白、乳铁蛋白等。

其次是蛋白质组装机制的探索。

几年前，课题组提出了蛋白质链松弛控制的蛋白质组装机制，通过控制链松弛的程度，实现了蛋白质类淀粉样组装的形态调控。

此外，他们还实现了柔性生物大分子的二维介晶，为设计和合成新材料提供了更多可能。其还提出“链松驰-结晶”机制，以调控 β-sheet 晶体在界面处的组装和多形态性选择，如可以实现超灵敏质子响应的 β-sheet 晶体组装。

这一机制为精确合成生物大分子组装体和高分子材料提供了新思路。同时，他们还从蛋白质类淀粉样组装过程的动力学研究中，提出了蛋白质在界面处进行聚集的三个关键元素。

最后是相关功能的扩展。

为进一步增强二维蛋白质膜的功能，该团队采用了两种方法：物理混合法和化学接枝法。

物理混合法，涉及将一些特殊的物质比如药物、石墨烯、微小颗粒、荧光分子或其他有用材料引入蛋白质薄膜中，以提高其实用性。

化学接枝法，即通过化学修饰将一些特殊分子附着在蛋白质表面上，然后用它们来构建蛋白质膜，从而让蛋白质膜的功能更加丰富。

（来源：Nature Communications）

从“洗不干净的瓶子”到“辣椒油困扰”

在十多年的研究中，他们曾合成一款水下胶水，而这完全始于一次偶然的发现。

有一天，该团队正在进行静电纺丝实验，任务完成之后需要清洗实验器皿。然而，当他们试图清洗掉残留在器皿上的纺丝液时，却发现它与水相接触时，竟然变成了一片坚固的白色固体，很难从瓶壁上冲刷掉。

这个奇怪的现象引起了他们的好奇心，课题组开始思考是否可以将这种奇特的纺丝液变成一种实用的水下胶水。

于是，他们决定进行一项实验，将这种纺丝液涂抹到浸泡在水中的玻璃片上，并将其浸泡一整晚。

令人惊讶的是，第二天早上，他们发现这种纺丝液竟然将两块玻璃片黏在了一起。“这个意外的发现点燃了大家的激情，我们开始不断优化这种特殊的纺丝液，最终成功研发出一种全新的蛋白质基水下胶水。”杨鹏说。

2021 年 9 月，实验室迎来了新成员，这正好是新学季开始的时刻。为了庆祝这个特殊的时刻，杨鹏带大家一起去吃火锅。

那一天，杨鹏穿了一件白色 T 恤，去之前全然没有料到会发生一场小小的意外。他说：“我在火锅中滴了很多辣椒油，后来这些辣椒油弄脏了我的白 T 恤。”

回家之后，杨鹏发现 T 恤上仍然残留着大量红色辣椒油的斑点。他拿起洗衣粉和水，把手都搓疼了才勉强把衣服洗干净。这时他开始思考：假如衣物很难被沾上污渍，是不是用清水冲洗就能洗干净？

“于是我突然产生了一个大胆的设想：是否可以利用我们实验室研究的类淀粉样蛋白质涂层来拯救沾满辣椒油的 T 恤呢？”杨鹏说。

随后，他和团队开始对这些蛋白质涂层进行改进，经过两年的努力终于创造出一种无需洗衣粉的蛋白质涂层。

在口腔医学领域和农业领域，已成功转化两项成果

另据悉，针对其他两种蛋白质膜成果，课题组已经进行落地和转化。

在口腔医学领域，课题组利用蛋白质基涂层的界面生物矿化能力，解决了牙齿脱敏治疗难题，并创立了一家生物技术公司。此外，其还开发出一系列牙齿脱敏和釉质修护产品，有望解决中国在牙齿脱敏和釉质修护产品上的进口依赖问题。

在农业领域，课题组提出了一种用蛋白质膜进行农药和化肥减量增效的新方法。通过蛋白质膜将农药和化肥颗粒包裹和固定在植物叶面上，借此能够有效对抗液滴飞溅和雨水侵蚀，从而将农药和化肥使用量减少 30%-50%。

该方法具有低成本、高环保的特点，适用于各种农作物。杨鹏表示：“这种蛋白质膜也是目前已知最有效、最环保的农用减量增效剂。目前已经通过西安一家公司进行落地。”

而对于他和团队来说，前进的步伐仍将继续进行。目前，合成高分子材料导致的白色污染，已经成为全球面临的重大危机，发展可替代合成高分子的天然高分子材料，成为人类社会亟待解决的重大问题。

与纤维素、甲壳素等天然高分子相比，蛋白质特点在于水溶性好，因此理论上其加工条件应更加温和、简单和高效。

实际上，针对蛋白质基天然高分子材料的研发依然较为落后，其关键问题在于蛋白质基材料稳定性差、功能不足，而且将蛋白质分子加工为材料的方法极为有限，同时这些方法还存在过程苛刻、效率较低、能耗较高的不足。

因此，杨鹏打算在蛋白质类淀粉样聚集体系的基础之上，对蛋白质链段松弛、聚集、成核并生长至体相材料的分子机制加以阐明。继而通过人为调控、以及干预蛋白质的聚集和粘附过程，构建多功能的蛋白质基天然高分子材料体系，比如生物医用涂层、胶粘剂、纤维、弹性体等。