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小小鱿鱼，它身体里这个材料竟然能够解决塑料危机！

文章来源：贤集网更新时间：2023-05-19 14:12:58

虽然帽贝可能被认为是最强的生物材料，但它们并不是唯一拥有“超”能力的海洋生物。科学家们发现，排列在鱿鱼触手吸盘上的牙齿可能会是一种新的自我修复材料。

可以重新长出“触手”的“鱿鱼博士”

相比于帽贝的一动不动就能获得食物，鱿鱼则需要有环齿咬住猎物，承受着较大范围内的压缩力和剪切力。因此，鱿鱼需要有坚硬而又灵活的牙齿。

我们小时候大人总告诉我们要保护牙齿，因为牙齿坏掉就只能去补牙了，又贵又受罪。然而，鱿鱼宝宝们肯定不需要听“家长”们的唠叨，因为鱿鱼环牙具有独特的结构，在受到损伤之后仍会重新长出来。

鱿鱼环齿是鱿鱼触须上捕获猎物时起吸附作用的结构，这种特殊的组织结构主要由相应的鱿鱼环齿（squid ring teeth, SRT）蛋白组成，这些氨基酸形成紧密的氢键网络。这些网络可以反复断裂和重组——牙齿甚至可以在沸水中软化，并在冷却后恢复硬度。由于其具有优异的机械性能，近些年来引起了很多生物学家和材料学家的关注。

科学研究发现，这种独特的性质引起了科学家们的关注，美国宾夕法尼亚州立大学工程学Melik Demirel教授在过去10年中一直在研究这些蛋白质，并成立了一家公司来开发它们的潜力。他们将鱿鱼基因插入细菌中，创造了一条生产环齿蛋白纤维的管道。这种纤维具有高强度和韧性，并且在水中保持很好的形态，不会发生收缩等问题。因此，Demirel及其外科同事表明，这种纤维材料可以用于修补腹壁等。

获得的蛋白纤维可以解决塑胶危机

塑料制品的出现一方面给我们的生活增添了诸多便利，另一方面也使我们面临一场前所未有的危机。从海洋最深处的马里亚纳海沟到人迹罕至的南北极，人类造成的这场白色污染，其影响之深令人触目惊心。

为了解决塑料危机，合成生物学家同样在做着诸多努力，其中一种思路是改造工程菌使其能高效降解PE等塑料制品原材料，从而降低其对环境造成的污染。另一方面，科学家们也在积极寻找塑料的替代品，使我们能更安心地享受塑料制品给我们带来的便利。

目前SRT蛋白已被考虑应用于许多领域，如粘合剂、伤口敷料、电子设备、传感、智能可修复纺织品以及耐磨微纤维等。另外，由于其化学本质为蛋白质，相比于聚乙烯等化工原料制成的聚合物来说更易被降解。

因此，环境友好的生物材料SRT蛋白可能会帮助我们缓解塑料危机。

01 设计与合成

限制SRT蛋白应用前景的一大因素是其生产成本，一只平均重量0.5公斤的鱿鱼只能产出约100mg的SRT蛋白，因此，直接从天然的鱿鱼身上提取这种材料显然是非常不经济的。合成生物学的发展使人们能利用经过基因工程改造的细菌、酵母等微生物高效的生产很多材料。与从鱿鱼身上提取相比（10美元/克），使用合成生物学手段生产SRT蛋白极大地降低了这一过程的成本（使用经过优化的工艺可使成本降低至10美元/千克）。

经过基因工程改造的大肠杆菌是目前在工业生产蛋白质中使用最广泛的底盘之一，其目前也被用于SRT蛋白的生产。SRT蛋白单体的氨基酸序列大致可分为两段，其中一段为刚性的晶体结构，主要由甘氨酸通过氢键形成的β折叠片结构构成，而另一段则为无定型区域，其为富含甘氨酸和酪氨酸的柔性链。天然存在的SRT蛋白由这些SRT蛋白单体通过串联重复形成网络结构，其中的β折叠片起到交叉连接的作用。传统方法主要通过合成单体蛋白后进行交叉连接的方式进行高分子量蛋白聚合物的生产，由于交联过程的不稳定性，这样的生产方式会引入许多的结构缺陷，从而导致生产的材料在性能上逊色于天然状态。

因此，该研究团队开发了一种被称为保护性消化滚动环扩增的方法（protected digestion rolling cirle amplification, PD-RCA），该方法能够精准控制产品重复序列的数量，克服了传统方法存在的缺陷。

首先，该团队通过对当地的几个鱿鱼物种SRT蛋白的分析得到其刚性片段（PAAASVSTVHP）和柔性片段（STGTLSYGYGGLYGGLGYG）的氨基酸序列，将其（上图TR序列）从构建的质粒上消化下来并进行环化自连接，形成环形的单体TR序列（这里应该也能产生多聚环状），DNA聚合酶围绕环状DNA进行滚动复制产生具有随机串联重复数量的线性寡聚DNA序列，之后通过电泳选取合适大小的片段，再将其连接到表达载体中，从而精确地控制了最终产物的重复单元数量（具体过程见上图）。

02 理化性质

SRT蛋白材料的理化性质主要受以下因素影响：

（1）氨基酸组成。例如，SRT蛋白含有约11%组氨酸（pKa=6.0），因此可根据pH调节蛋白质电荷从而改变其质子传导性。

（2）二级结构（无规卷曲、α-螺旋、β-折叠）含量。有序结构域如β-折叠结构提供机械强度，而无序结构域为材料提供弹性和柔韧性。

（3）材料的整体网络形态。SRT材料可被认为是一种网络蛋白凝胶，通过调整SRT蛋白串联重复的数量，可使材料表现出从完美网络结构（串联重复数多，无序结构连接相邻β折叠片形成纳米晶体结构）到有缺陷的网络结构（串联重复数低，存在许多铰线结构）的网络形态。绞线结构有助于材料的应力承载和传输，且材料的密度最大化（空间利用率高）可改善材料性能。因此可通过调整SRT蛋白的分子量和串联重复来优化其机械和传输性能。

03 制造与加工

如前所述，SRT单体蛋白的交联过程主要通过β折叠片间的氢键实现，因此这种非共价的交联方式是可逆的，通过酸液、表面活性剂或有机溶剂等可促进β折叠片的破坏，从而使蛋白溶解（溶剂残留物可通过蒸发等方式从最终产品中去除）。另外，通过加热也可以对SRT蛋白进行热塑性处理，从而优化其纳米结构。

总之，利用溶解和热基处理的方法，结合传统的材料加工工艺（如挤出、喷射、层压等），可以使SRT蛋白在微观和宏观尺度上被加工成性能各异的材料：例如，通过滴铸制造的独立式透明柔性SRT薄膜可被用作基材、膜或支撑材料、可生物降解的传感器和可拉伸的质子导体的制造；利用SRT蛋白制成的仿生翅膀表现出与昆虫翅膀类似的理化性质（机械强度和柔韧性）；使用基于模板的纳米润湿和毛细管微模塑法制造的SRT纳米结构薄膜可被用于生产高纵横比的纳米纤维阵列等。

04 SRT涂层减少微塑料释放

微塑料（粒径小于5mm的塑料颗粒）作为人类活动的污染物，已广泛存在于自然界中，微塑料被生物摄入后再通过食物链的富集作用最终可进入人体，从而产生严重的健康威胁。

由于人口急剧增加导致的对纺织品的需求大幅上升，聚酯、尼龙等制成的合成纤维逐渐替代了天然纤维（羊毛、棉花等），而洗涤的过程会导致衣物产生微小的磨损，从而导致聚酯纤维、尼龙纤维等形成微塑料颗粒，再由地表水或地下水排放到环境中。因此，这些材料的使用在一定程度上促进了微塑料污染。

目前有很多研究旨在通过提高污水过滤效率以及清除环境中的微塑料来减轻这种污染，在这里作者另辟蹊径，试图通过SRT蛋白制成的涂层材料减轻衣物洗涤过程中产生的磨损，从而在源头上缓解微塑料污染。经测试，涂有SRT涂层的超细纤维布在磨损测试中表现优异。

在后续研究中，该团队对SRT基材料（SRT-based materials）的光学特性等性质进行了分析，并探讨了SRT材料应用于可修复涂层、具有环境检测功能的“智能”服装、柔性光学组件等领域的前景。

德米雷尔说：“SRT具有生物相容性和可生物降解性，因此不仅可用于制造可穿戴的健康监测器，还可用于生物传感和生物检测的植入式设备。”

基于SRT的材料优于合成材料和由化石燃料制成的塑料的主要优点之一是其环保性。

SRT蛋白质便宜且易于从可再生资源中生产出来，研究人员已经找到了一种生产它的方法而不会捕获鱿鱼的方法。

德米雷尔说：“我们不想耗尽天然鱿鱼资源，因此我们利用转基因细菌中生产这些蛋白质。该过程基于发酵糖，水和氧气生产生物聚合物。“

总结：

鱿鱼齿环蛋白质可以全程在实验室使用基因工程细菌做出来，不需要用到任何鱿鱼，制作过程以发酵为主，只需糖、水和氧气。这样我们就不用担心“蛋白质塑料”会像塑料那样造成环境污染了。

那么，我们既然可以在鱿鱼里发现塑料的替代物，那么是不是表明：随着科学技术的发展，我们还可以从其他海生、陆生以及一切生物中发现我们现有资源的替代物呢？这一点值得我们深思。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_526844.html
来源：贤集网
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