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小小魷魚，它身體里這個材料竟然能夠解決塑料危機！

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2023-05-19 14:12:58

雖然帽貝可能被認為是最強的生物材料，但它們并不是唯一擁有“超”能力的海洋生物。科學家們發(fā)現(xiàn)，排列在魷魚觸手吸盤上的牙齒可能會是一種新的自我修復材料。

可以重新長出“觸手”的“魷魚博士”

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

我們小時候大人總告訴我們要保護牙齒，因為牙齒壞掉就只能去補牙了，又貴又受罪。然而，魷魚寶寶們肯定不需要聽“家長”們的嘮叨，因為魷魚環(huán)牙具有獨特的結構，在受到損傷之后仍會重新長出來。

魷魚環(huán)齒是魷魚觸須上捕獲獵物時起吸附作用的結構，這種特殊的組織結構主要由相應的魷魚環(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。這些網(wǎng)絡可以反復斷裂和重組——牙齒甚至可以在沸水中軟化，并在冷卻后恢復硬度。由于其具有優(yōu)異的機械性能，近些年來引起了很多生物學家和材料學家的關注。

科學研究發(fā)現(xiàn)，這種獨特的性質引起了科學家們的關注，美國賓夕法尼亞州立大學工程學Melik Demirel教授在過去10年中一直在研究這些蛋白質，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菌中，創(chuàng)造了一條生產環(huán)齒蛋白纖維的管道。這種纖維具有高強度和韌性，并且在水中保持很好的形態(tài)，不會發(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腹壁等。

獲得的蛋白纖維可以解決塑膠危機

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。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，合成生物學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，從而降低其對環(huán)境造成的污染。另一方面，科學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蛋白已被考慮應用于許多領域，如粘合劑、傷口敷料、電子設備、傳感、智能可修復紡織品以及耐磨微纖維等。另外，由于其化學本質為蛋白質，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蛋白可能會幫助我們緩解塑料危機。

01 設計與合成

限制SRT蛋白應用前景的一大因素是其生產成本，一只平均重量0.5公斤的魷魚只能產出約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)濟的。合成生物學的發(fā)展使人們能利用經(jīng)過基因工程改造的細菌、酵母等微生物高效的生產很多材料。與從魷魚身上提取相比（10美元/克），使用合成生物學手段生產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)生產蛋白質中使用最廣泛的底盤之一，其目前也被用于SRT蛋白的生產。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構，主要由甘氨酸通過氫鍵形成的β折疊片結構構成，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)重復形成網(wǎng)絡結構，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行交叉連接的方式進行高分子量蛋白聚合物的生產，由于交聯(lián)過程的不穩(wěn)定性，這樣的生產方式會引入許多的結構缺陷，從而導致生產的材料在性能上遜色于天然狀態(tài)。

因此，該研究團隊開發(fā)了一種被稱為保護性消化滾動環(huán)擴增的方法（protected digestion rolling cirle amplification, PD-RCA），該方法能夠精準控制產品重復序列的數(shù)量，克服了傳統(tǒng)方法存在的缺陷。

首先，該團隊通過對當?shù)氐膸讉€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）從構建的質粒上消化下來并進行環(huán)化自連接，形成環(huán)形的單體TR序列（這里應該也能產生多聚環(huán)狀），DNA聚合酶圍繞環(huán)狀DNA進行滾動復制產生具有隨機串聯(lián)重復數(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，再將其連接到表達載體中，從而精確地控制了最終產物的重復單元數(shù)量（具體過程見上圖）。

02 理化性質

SRT蛋白材料的理化性質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調節(jié)蛋白質電荷從而改變其質子傳導性。

（2）二級結構（無規(guī)卷曲、α-螺旋、β-折疊）含量。有序結構域如β-折疊結構提供機械強度，而無序結構域為材料提供彈性和柔韌性。

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

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折疊片間的氫鍵實現(xiàn)，因此這種非共價的交聯(lián)方式是可逆的，通過酸液、表面活性劑或有機溶劑等可促進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)等方式從最終產品中去除）。另外，通過加熱也可以對SRT蛋白進行熱塑性處理，從而優(yōu)化其納米結構。

總之，利用溶解和熱基處理的方法，結合傳統(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子導體的制造；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（機械強度和柔韌性）；使用基于模板的納米潤濕和毛細管微模塑法制造的SRT納米結構薄膜可被用于生產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入人體，從而產生嚴重的健康威脅。

由于人口急劇增加導致的對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），而洗滌的過程會導致衣物產生微小的磨損，從而導致聚酯纖維、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涂層的超細纖維布在磨損測試中表現(xiàn)優(yōu)異。

在后續(xù)研究中，該團隊對SRT基材料（SRT-based materials）的光學特性等性質進行了分析，并探討了SRT材料應用于可修復涂層、具有環(huán)境檢測功能的“智能”服裝、柔性光學組件等領域的前景。

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)點之一是其環(huán)保性。

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

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

總結：

魷魚齒環(huán)蛋白質可以全程在實驗室使用基因工程細菌做出來，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。這樣我們就不用擔心“蛋白質塑料”會像塑料那樣造成環(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：隨著科學技術的發(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？這一點值得我們深思。

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