David L. Kaplan教授Acc. Chem. Res. 最新綜述：協同整合實驗和模擬方法從頭設計絲基材料

【引語】

如今，從衛生保健到新型生物納米器件，具有可調功能化性能的生物材料在完成特定任務的應用領域存在著廣闊的前景。這其中，為了實現可控功能化的聚合物材料，將天然物質塑形成人工產品是一個重要的策略。絲是節肢動物的自身分泌物，在維持生命方面起著重要的作用。而鑒于其在機械性能、生物相容性、可生物降解性等方面的特點，絲蛋白可被作為生物材料系統可調控設計的原型。近期，美國塔夫茨大學的David L. Kaplan教授（通訊作者）等人在著名綜述類期刊Accounts of Chemical Research上發表了題為“Synergistic Integration of Experimental and Simulation Approaches for the de Novo Design of Silk-Based Materials”的綜述文章。在這篇綜述中，作者總結概述了絲基蛋白質系統認知和功能化研究方面的最新進展，并重點關注了如何將實驗和模擬方法整合應用于生物聚合物的設計。

?綜述導覽圖

1. 概況

絲是一種精致的聚合物材料，也是一種高度模塊化的蛋白質聚合物。它具有高度的內部重復序列，側鏈還存在著非重復性的N-或者C-末端區域。在內部重復序列中，poly(Gly-Ala)以及poly-Ala基序（motif）能夠形成疏水的β結構（β結構）結晶區，而富含甘氨酸（glycine）的基序則形成親水的非結晶區（如β轉角或者無規卷曲等）。這些基序自組裝形成分級構造，而在這一構造中有序交聯的β結構納米晶被限制在彈性的蛋白質基質中，最終使得絲纖維成為最堅韌也是最具多樣化的材料之一。

利用重組DNA技術（recombinant DNA technology）仿效和發展模塊化絲模板的思路為從分子水平建構材料提供了新的可能。此外，除了改變基因序列，通過生物合成后加工（post-biosynthesis processing）也能實現對材料組裝的調控。在過去的十多年里，研究人員在利用重組絲模擬肽（recombinant silk mimetic peptides）來設計和加工生物聚合物的領域取得了長足的進步，對分子量、結構域尺寸（domain sizes）以及親疏水分區等因素在蛋白質自組裝過程等方面所扮演的角色有了更加深刻的認識。更重要的是，通過引入其他蛋白質的關鍵模塊（key modules）或者功能化基團，重組DNA技術可以從頭合成（de novo）絲基生物材料。

多尺度材料模擬（multiscale material simulations）可以提供材料性能改變的內在機理信息。在材料設計階段的早期引入計算模型是從分子構建模塊并產生功能的有效方法，這是一種有目標功能導向的材料設計的協同方法。這一方法也同樣適合作為聚合物合金以及聚合物復合材料系統的創新路線圖。

2. 實驗方法和多尺度建模的整合用于生物聚合物的設計

2.1 絲基材料的生物合成

設計生產重組絲基生物材料（recombinant silks）的主要步驟包括基因設計、克隆、表達以及蛋白質純化。經過基因改造的絲蛋白的主要優勢在于序列的可修整性（tailorability）、蛋白質化學的多樣性以及蛋白質尺寸的可控性。重組DNA技術雖然是研究序列-功能關系的有效工具，但在生產高分子量絲材料或者規模化生產絲蛋白時的作用卻十分有限。

2.2 合成后加工

微流體以及濕法紡絲（wet spinning）技術是模仿自然紡絲過程而發展起來的，如今也被開發用于制備重組絲纖維。而化學物理改性，包括甲醇蒸汽處理以及酶交聯反應等均能夠促使高分子鏈組裝形成二級結構或者聚合物網絡以增強材料性能。此外，加工參數的改變連同蛋白質序列的變化也能夠拓寬新型功能聚合物材料的設計思路。

2.3 多尺度建模與驗證

對材料特性建模的常見方法包括小肽的分子動力學建模（MD）、蛋白質聚合物的副本交換分子動力學模擬（REMD）、納米尺度的多分子系統、介觀尺度的粗粒化建模（CG）等。隱性溶劑溫度（implicit solvent temperature）副本交換分子動力學及其隨后的顯性溶劑常規分子動力學（explicit solvent conventional molecular dynamics）也可被用于研究原子尺度的系統動力學以及結構特性。

實驗表征通常與模擬方法一道不僅可以用作實際結果的驗證手段，也能為模擬模型的修正提供反饋。在原子或者納米尺度，測量晶體結構、二級結構或者化學結構的實驗方法能夠為確定原子性質提供有效的信息。而在更大的尺度上，測量光學、熱學以及機械性能的實驗方法又能提供關于宏觀物理性質的信息。而正是這些信息構成了對模擬模型的反饋。

圖1 基因工程、聚合物加工、多尺度建模以及功能評估的協同整合用于新型功能化生物材料的設計

3. 實例1：蜘蛛絲設計原理可用于制造強勁的生物聚合物

盡管蜘蛛絲擁有很好的機械性能，但蜘蛛絲及其仿生材料的批量生產依舊是一個巨大的挑戰。重組DNA技術是蜘蛛絲合成的手段之一，同時也為理解蜘蛛絲的序列設計、自組裝機制以及紡絲過程奠定了基礎。通過基因工程可以生物合成重組蜘蛛絲，它們的分子量、結構域尺寸等特征不同，更有利于理解序列-功能之間的關系，從而促進高機械強度的絲基材料的發展。

可擴展建模、生物合成以及加工處理的整合加深了對與天然蜘蛛絲相似的絲纖維形成過程的理解。比如借助這一綜合方法，研究人員發現疏水性A域（hydrophobic A domain）體積占比越大的重組蜘蛛絲其β結構含量就越高，其機械剛度（mechanical stiffness）也就越高，并且這一結構更傾向于自聚集（self-associate）而形成分子間結構。

圖2 整合建模和實驗方法生產重組蜘蛛絲

4. 實例2：生物材料界面的優化設計

有機-無機界面是組織修復和再生領域生物材料功能的一部分。為了克服來自生物礦化界面的挑戰以及對堅硬生物材料衍生出來的需求，通過基因工程對絲材料進行改性可以控制生物礦化過程。相關的研究已經闡明了包括域類型（domain types）和域分布（domain distributions）在內的一系列與礦化相關的特性與機械性能高度密切相關的關系。理解這些關鍵因素影響生物礦化的機理能夠對絲基材料進行合理的設計，從而創造出新型的無機有機雜化系統。建模-實驗方法的整合能夠高效辨析關鍵參數在材料設計控制功能的過程中起到的作用。通過對模型的整合，可以對包括蛋白質折疊、帶電單元的排列以及加工參數等在內的關鍵因素在促進生物礦化方面扮演的角色有更深刻的理解。

圖3 整合建模和實驗方法設計生物礦化界面

5. 實例3：動態材料：類絲彈性蛋白

擁有獨特性能的絲材料也可以作為響應性復合材料的原材料。比如將絲-彈性蛋白（elastin）復合物用于可控的易變性設計。在這一過程中，蠶絲的序列GAGAGS與類彈性蛋白多肽（ELPs）的序列GXGVP融合，通過基因工程進行編碼就能表達類絲彈性蛋白（SELPs），隨后SELPs可作為模板用于刺激響應材料的制備。這一材料設計的基礎即是絲的強勁機械性能和彈性蛋白的動態特性。另外，計算模型的加入可以有效減少試錯結果的產生。多尺度分子模型已經被廣泛用于類彈性蛋白多肽、彈性蛋白原（tropoelastin）、絲蛋白以及SELPs的研究。這些模型能夠描述響應溫度的結構轉變以及機械性能變化的分子機制。在未來，還可以利用這些模型將相變效應放大到宏觀尺度，用于新型刺激響應型材料的設計。

圖4 整合建模和實驗方法設計刺激響應型材料

?【總結】

具有可調功能化性能的生物材料在藥物遞送、組織工程、動態生物材料植入體、材料涂層和機械器件等領域具有廣闊的應用前景。絲具有編碼蛋白質序列控制的基因基礎、優異的機械性能、生物相容性以及生物可降解性等特點，是作為聯合實驗和建模方法“從頭設計”功能化生物材料的理想原型。盡管利用絲模擬肽可以從分子模塊開始設計，但這種絲材料其機械性能依然劣于天然絲材料。這其中一部分是由于人工材料的分子量較低，并且蛋白質中的一些關鍵結構域在制備過程中容易被截斷（truncation）的緣故。實驗和計算的整合構成了協同反饋回路，有利于加深對機理的理解，從而優化材料設計并克服現有缺陷。

文獻連接：Synergistic Integration of Experimental and Simulation Approaches?for the de Novo Design of Silk-Based Materials (Acc. Chem. Res., 2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00616)

本文由材料人編輯部生物材料組cailiaoniuer提供，材料牛編輯整理。

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