英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

科学指导

蛋白质基材料的合成生物学

钱志刚，潘芳和夏小霞

模仿结构和结构的重组蛋白聚合物天然蛋白质的功能以及那些与新属性提供了一系列独特的可调和功能材料。但是，遗传上的多样性工程蛋白质聚合物仍然受到限制。作为一个强大的创建新的生物设备和系统的引擎，合成生物学有望解决现有挑战在蛋白质聚合物的常规研究中。在这里我们回顾先进蛋白质的设计和生物合成方面的进展合成生物学方法研究材料。特别是，我们突出他们在扩大设计蛋白多样性方面的作用聚合物并使用活细胞创建可编程材料。

地址

联合国际微生物代谢国家重点实验室代谢与发展科学研究实验室上海交通大学生命科学与生物技术学院，中国上海市东川路800号，200240通讯作者：夏晓霞（xiaoxiaxia@sjtu.edu.cn）

生物技术当前意见2020，65：197–204

这篇评论来自有关化学生物技术的主题问题由克里斯托弗·维特曼和李尚业编辑有关完整的概述，请参见《问题》和《社论》可在线获得2020年5月31日https://doi.org/10.1016/j.copbio.2020.04.004

0958-1669 /atilde;2020 Elsevier Ltd.保留所有权利。

介绍

蛋白质作为生物的主要成分通常以以下形式履行其生物学作用具有优良结构的超分子自组装多功能的功能[1]。受到独特的启发天然蛋白质自组装，各种蛋白质材料（例如蜘蛛丝，弹性蛋白，胶原蛋白和贻贝胶已通过仿生方法在异源宿主中重现质量生产[2,3，4,5]。这些材料的应用在生物医学工程领域已被广泛证明，包括药物输送，组织修复和再生[6，7–9]。

随着合成生物学的出现，人们寻求不同的跨学科努力来实现生物学的工程原理[10]。利用合成纤维的力量生物学，发现平台和制造技术蛋白质材料已经增加以扩大材料景观，并定义了一个新的材料范式[11]。特别是，先进的遗传方法被开发用于能够生成编码蛋白质聚合物的基因来自具有设计架构的生物构件。在另外，通过合成图案创建具有复杂空间组织的可编程材料，具有复杂的功能并显示出明显的优势能够生长，自我修复的传统材料甚至对他们的环境做出反应[12,13，14,15]。这使得能够交付下一代高级具有新功能和扩展功能的材料各种未满足的需求[16,17]。

合成生物学与材料科学的统一可以快速扩展材料的多样性，轻松制造多功能材料以及可持续的路线下一代材料的生物基生产制造[18]。在这里，我们回顾创新如何通过结合合成生物学概念和诸如基因组装之类的辅助工具材料科学，以及当前的策略和示例用于开发新型蛋白质功能材料。最后，我们讨论了实现蛋白质材料的巨大潜力所面临的挑战和前景多种应用。

生物构件：从中学习自然

大自然进化了许多生物模块等级结构并赋予生物功能多样化[19]。其中许多模块都是直接用作构建基块或缩小为最小可以被均聚的共有氨基酸序列被融合成重复蛋白，以概括其天然对应物的特性[2,20]。多样的构建基块使研究人员能够组装基因编码蛋白质共聚物的结构类型，数量和顺序可调[21–23]。这种组装概念非常强大，因为它允许将多个功能集成到一个聚合物分子中，从而可以合理地设计复杂的蛋白质材料分段方式[24]。根据其功能，构建基块可以分为三类：赋予理化特性的结构块，实现特定生物学功能的功能块，和响应块，以赋予动态特性暴露于环境刺激下产生的材料（图1）。

Natural proteins

请在此放置您的文字

Devices amp; systems

此放置您的文字

Bioengineerrsquo;s toolbox

toolbox

请在此放置您的文字

Responsive blocks

Cell scaffolds/

living materials

Drug delivery depots

Functional

assembly

请在此放置您的文字

Structural/

functional blocks

请在此放置您的文字

Characterized amp;

re-engineered

modules请在此放置您的文字

通过合成生物学方法的蛋白质材料工程原理。 可以从天然蛋白质中适应各种组成部分

材料，并重新设计为各种应用的新材料。

结构块的范围很广，可以源自结构简单的蛋白质，例如蛋白笼和复杂的笼子，如蜘蛛丝（表1）。各种结构块均来自天然具有重复蛋白质成分的材料，例如弹性蛋白，丝绸，胶原蛋白和贻贝[13，25–32]。例如，共识五肽肽阻滞（GGRPSDSYGAPGGGN）是从果蝇的重复性re-resilin蛋白中挖出的，具有不同嵌段数的重组多肽可能是化学交联到弹性水凝胶网中具有天然的像弹性蛋白的弹性[13]。另外，结构嵌段也可以衍生自非重复蛋白，例如病毒衣壳。这些结构块已被用于形成类似人工病毒的形式颗粒或合成细胞器通过体外协同自组装，这些合成系统的最新创新在其他地方进行了详细综述[33,34]。

Table 1

Building blocks for engineering protein materials

Block type Amino acid sequences/typical examples References

Structural blocks

Silk-like GAGAGS, GAGAGY, GGX (X = L, Y, Q orA), GPGXX (X = G, Q, Y) [2,22]

Elastin-like GXGVP (X is any amino acid exceptproline) [4,20]

Collagen-like GXXrsquo; (XXrsquo; are often proline andhydroxyproline, respectively) [8,27]

Resilin-like GGRPSDSYGAPGGGN,GYSGGRPGGQDLG, AQTPSSQYPAG [13,22]

Mussel

byssus-like AKPSYPPTYK [28]

Suckerin PAAASVSTVHHPYGYGGLYGGLYGGLGY [29,63]

Leucine

Zipper (VSSLESK)2VSKLESKKSKLESKVSKLESKVSSLESK [30,35] bTail MALKVELEKLKSELVVLHSELHKLKSEL [31]

Amyloid precursor protein CsgA protein, FapC protein, Ab (1-42),

Prion, Transthyretin (TTR1) [32,58]

Functional

blocks

Cellular

Adhesion RGD, REDV [37]

Growth factor Vascular endothelial growth factorKeratinocyte growth factor [35]

Antimicrobial

Activity Hepcidin, HNP-2,4, Magainin, Lactoferricin [39]

Proteolytic

Degradation Matrix metalloproteinase sensitive peptides [38]

Targeting Antibody fragments, DNA aptamers [36]

Cross-linking SpyTag-SpyCatcher, Split-inteins, CutAtrimer-forming peptide [40,41]

Responsive

blocks

Transcription factor/DNA TetR/tetO, LacI/lacO [43]

Regulation

proteins/

small

Molecules GyrB/coumermycin, FKBP12/FK506

Calmodulin/Ca2 , TetR/ tetracycline [44,45]

Lightresponsive

Proteins PhyBFR, CarHC, Dronpa145N, Cry2 [46,47,48]

Other stimuli responsive proteins

Elastin-like ELPs, RLPs, abductin, CTD of （4,23,26）

spidroins

功能块包括大量生物活性物质长度为几十到几十个氨基酸的肽来源于天然蛋白[35,36]。例如，RGD和REDV细胞粘附肽，可增强哺乳动物细胞的附着力[37]，有助于生物材料降解的蛋白水解酶识别位点[38]和预防感染的抗菌肽[39]用于改善小鼠的体外和/或体内功能蛋白质材料通过基因融合（表1）。此外，许多相互作用的多肽链，例如Split-inteins，SpyTag-SpyCatcher和形成异二聚体的卷曲线圈用作选择性结合块，可以从头设计的多肽用于功能材料的构建[40,41]。值得注意的是相互作用的多肽块也可以被工程对各种环境触发敏感，例如小分子，温度和光，以便它们可以被用于构建“智能”响应式材料[42]。

许多响应块均来自自然生物开关，并已被用于将传感和驱动功能整合到材料中（表1）。为了例如，转录因子/ DNA开关响应对细胞或环境刺激的抑制作用，已被纳入材料中以赋予响应特性[43]。响应性多肽块可在还确定了单体和二聚体状态并用于蛋白质材料的功能化。

例如，细菌促旋酶（GyrB）的B亚基与抗生素coumermy cin结合后形成二聚体，并可通过与GyrB竞争结合而与新生物素加成解离[44]。相反，人类FK结合蛋白12（FKBP12）的F36M变体天然存在的二聚体可以通过添加小分子FK506来解离[45]。特别是一些多肽区块，例如Cryptochrome 2（Cry2）和C末端腺苷钴胺素结合结构域（CarHC）响应光而在单体状态和不同的低聚物状态之间切换[46,47,48]。这些反应性障碍已通过基因融合或与前体聚合物非共价结合形成材料，并将这些块用作开关具有被证明可控释货物分子和细胞传递[43,48]。据报道最近的研究表明，在黑暗中，腺苷钴胺素诱导的CarHC四聚形成了由CarHC聚合物组成的完全基于蛋白质的水凝胶，物理上自组装的水凝胶被分解Posure，可在水凝胶中进行3D细胞培养后轻松释放/回收细胞矩阵[48]。

自下而上的编码基因组装功能蛋白材料

作为基于天然蛋白质的材料的独特功能，模块化激发了自下而上的构造和跨多个长度尺度的层级手性自组装，最终产生了具有先进技术的理想材料机械和生物学性能[19]。为了重组生产这些天然蛋白质基材料，需要强大的模块化基因组装策略才能制作编码这些蛋白质的遗传构建体，这些构建体由所需的肽结构单元组成，如上所述以上。到目前为止，三个主要策略是报告。最常用的是逐步操作，定向方法，可以精确控制通过连续消化获得靶基因的大小和连接步骤（图2a）。这种方法提供克隆精度高，但操作步骤相当繁琐且耗时。另外，为了实现更少的接缝克隆，在连接时没有多余的核苷酸连接处，选择合适的限制酶例如IIS型酶是必需的[49,50]。

第二种基因组装方法，称为级联（图2b），对于获得一个连接中大小不同的基因库反应。作为逐步增长的聚合机理对于DNA，串联可使用合成的DNA，该DNA将一或几个副本的肽结构单元编码为产生DNA序列的可变重复串联排列。按照这种方法，已经构建了组合文库，用于高通量生物合成和类似丝弹性蛋白的筛选具有独特刺激响应的蛋白质聚合物（SELP）

特征和机械性能[51]。首先，进行编码丝弹性蛋白肽嵌

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[258110]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word