化学与生活

蚕丝蛋白 Fibroin

本文来自Chem-Station日文版 フィブロイン Fibroin cosine

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

蚕丝蛋白(Fibroin是丝绸的主要成分,为纤维蛋白的一种。

化学结构

丝绸纤维主要由蚕丝蛋白和丝胶构成。

作为主要成分之一的蚕丝蛋白是由分子量约为35万的H链和分子量约为2万7千的L链衔接而成的。其中,重复按Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser/Tyr这样的氨基酸排列顺序形成的结晶区域(具有疏水性且紧密)连接上氨基酸无序排列形成的非结晶区域(具有亲水性,柔软)构成了H链。这四种氨基酸占了蚕丝蛋白90%以上的氨基酸种类。结晶区域采用β薄片构造,形成了坚固的链间相互作用从而构成了纤维。另一种成分丝胶起到覆盖蚕丝蛋白的作用(下图来自论文[7])。

材料特性

作为原材料和材料的特征和优点

  • 低环境负荷,循环型材料,脱石油工艺,水系制造工艺
  • 生物体亲和性、生物分解性、低抗原性、低毒性、低发炎性
  • 多孔性,水/氧通透性,保湿性
  • 轻盈,力学特点(强度,延展性,弹性)兼具柔软性,高加工性,表面平滑
  • 高折射率,可见光透过性
  • 绝缘性,介电性

分子水平的结构特性反映在作为集合体的丝绸的材料特性上。例如如果分子水平的结构同时拥有柔软的亲水区域和刚直的疏水区域,则物质水平的材料有望具有保湿性和独特的力学特性。理解了这个原理就可以通过改变氨基酸序列来调整材料特性。比方说侧链尺寸小且Gly (Ala)的比例高的话,链间相互作用的紧密度就会提高,材料的力学特性就会增强。

通过化学修饰和架桥处理,可以人工改良材料的性质甚至可以赋予材料新的功能。

蚕丝蛋白的生物亲和性、可降解性、低抗原性等特性都是特别受医疗青睐的特性。鸟苷中的糖蛋白可能会成为过敏源,因此必须提取出纯净的蚕丝蛋白(degumming)。

缺点

  • 天然来源品质量参差不齐
  • 不能大量供给
  • 难以构建蛋白质表达系统(链增长会发生缩聚)
  • 成本
  • 探索效率低
  • 化学修饰位点少

科学家们正在研究利用基因重组的异种生产和生物信息学以改善数量供给、质量均一性等问题,提高探索效率。

来自不同生物的蚕丝蛋白的差异性

自然界有20万种不同种类的丝绸,但历史上研究的最多的是来自蜘蛛的蚕丝蛋白。近年来蓑虫丝中的蚕丝蛋白的结构特性逐渐明了。研究发现它之所以比蜘蛛丝的蚕丝蛋白强度高,是因为氨基酸序列的规则性更高,所以施加上丝上的力能很好地被均匀分散开[2]

不同种丝绸的物理性质比较(图片引用自这里

用途应用

化妆品、健康食品、纤维原材料

利用蚕丝蛋白的高强度和生物分解特性,可应用于降落伞带、防弹背心、航空材料、可食用食物包装等领域。

组织工程学/再生医疗(血管、骨头、软骨、神经等)[3]

适合做成细胞培养基,因为蚕丝蛋白同时也具有生物分解性所以也是研究热门之一。但是由于大多数蚕丝蛋白缺乏细胞粘接所必需的氨基酸序列(RGD元件等),为了提高培养效率也会考虑引进合适的氨基酸序列。

现在正在努力尝试将蚕丝蛋白充当手术缝合材料。借助3D打印技术,参考干细胞建模来制作人造器官的研究也在进行中。

药物输送,基因输送[4]

常规药物主要由合成高分子构成,因为药物往往具有免疫原性,所以正在研究用丝绸代替一些药物。虽然用丝绸替代药物时需要调节药物释放速度和分解速度,但是可以通过交联反应和退火等处理来调节丝绸的结晶度。也可以通过形状加工和化学修饰(授予组织定位能力等)改良丝绸。

光学材料[5]

蚕丝丝绸无色透明,但通过掺入色素/荧光材料也可应用于光学材料。制造方法大致分为三种类:基因修饰,色素饲料和染色。

导电材料/设备应用[6]

对的应用研究正在热火朝天进行中。丝绸是绝缘体,所以主要研究电子电路的保护和永久性移植物方面的用途。随着时间的流逝而分解的特性也会根据不同用途有所好处。因为丝绸也可以作为介电体来使用,所以正在研究作为半导体的应用,并将其应用于有机晶体管、存储器、传感装置上。

为了使丝绸本身成为导电性和蓄电物质,正在研究碳化加工。期待应用于超级电容器和锂离子电池等。当然同时,作为丝绸的材料特性会消失。

合成方法

目前,适合工业生产的蚕丝蛋白的制法只有两种:从蚕丝中提取和大肠菌的基因工程

从蚕丝中提取适合廉价的大量生产,但是存在一些缺点,比如生产率依赖于季节/气候,不能密集性劳动和进行分子水平上的加工,除去丝胶会使结构受损蚕丝蛋白会凝集,产品品质变得非常参差不齐等。

通过基因工程生产蚕丝蛋白可以改变氨基酸序列和调节分子量,却不能大量生产分子量高的蚕丝蛋白。

虽然这些问题可以通过使用更高级的动物/植物细胞的基因工程技术来解决,但是技术上存在难度,现在仍在继续研究。

化学合成拟蚕丝蛋白高分子[7]

不依靠基因工程,科学家们也尝试依靠化学合成来构建拟蚕丝蛋白高分子。经常采用以丝绸中含有的特征性氨基酸序列为基础的肽单体与其他人工单体共聚。这样可以赋予合成蚕丝蛋白以天然蚕丝蛋白所不具有的结构多样性和自由度,有希望能赋予人工性能,改善蚕丝蛋白品质的不均一性。

但是这种合成途径现存问题实在太多了,需要通过基础研究才能解决这些现实问题。比如,如果化合物在溶剂中的溶解性差,则聚合物成型性将成为问题。如果尝试严格控制序列,则难以合成高分子量聚合物,成本变高,并且难以扩大规模。如何在共聚过程中加入发剂/添加剂也是一个问题。

参考文献

  • [1] (a)「フィブロインの利用」玉田靖、蚕糸昆虫バイオテック 200776, 3-8. [PDF] (b) “Design, Fabrication, and Function of Silk-Based Nanomaterial” Wang, Y. et al. Adv. Funct. Mater. 201828, 1805305. doi:10.1002/adfm.201805305 (c) “Engineering the Future of Silk Materials through Advanced Manufacturing” Zhou, Z. et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1706983. doi:10.1002/adma.201706983
  • [2]  “A study of the extraordinarily strong and tough silk produced by bagworms” Yoshioka, T.; Tsubota, T.; Tashiro, K.; Jouraku, A.; Kameda, T. Nat. Commun. 201910, 1469.  DOI: 10.1038/s41467-019-09350-3
  • [3] (a)”Biomedical Applications of Recombinant  Silk-Based Materials” Aigner, T. B. et al. Adv. Mater. 201830, 1704636. doi:10.1002/adma.201704636 (b) “Silk Fibroin-Based Biomaterials for Biomedical Applications: A Review” Polymers 201911, 1933. doi: 10.3390/polym11121933 (c) “Spider Silk for Tissue Engineering Applications” Salehi, S.; Koeck, K.; Scheibel, T. Molecules 202025, 73. DOI: 10.3390/molecules25030737 (d) “Silkworm silk-based materials and devices generated using bio-nanotechnology” Huang, W.; Ling, S.; Li, C.; Omenetto, F. G.; Kaplan, D. L. Chem. Soc. Rev. 201847, 6486. doi:10.1039/C8CS00187A
  • [4] (a) “Silk nanoparticles—an emerging anticancer nanomedicine” Seib, F. P. AIMS Bioengineering 20174, 239. DOI: 10.3934/bioeng.2017.2.239 (b) “Functionalized silk fibroin nanofibers as drug carriers: Advantages and challenges” Farokhi, M.; Mottaghitalab, F.; Reis, R. L.; Ramakrishna, S.; Kundu, S. C. J. Controlled Release 2020, 321, 324-347. doi:10.1016/j.jconrel.2020.02.022
  • [5] “Functional Silk: Colored and Luminescent” Tansil, N. C.; Koh, L. D.; Han, M.-Y. Adv. Mater. 201224, 1338. doi:10.1002/adma.201104118
  • [6] “Silk Fibroin for Flexible Electronic Devices” Zhu, B. et al. Adv. Mater. 201628, 4250.  doi:10.1002/adma.201504276
  • [7] “Chemical Synthesis of Silk-Mimetic Polymers” Sarkar, A.; Connor, A. J.; Koffas, M.; Zha, R. H. Materials 201912, 4086. DOI: 10.3390/ma12244086

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