David L. Kaplan教授Acc. Chem. Res. 最新综述：协同整合实验和模拟方法从头设计丝基材料

【引语】

如今，从卫生保健到新型生物纳米器件，具有可调功能化性能的生物材料在完成特定任务的应用领域存在着广阔的前景。这其中，为了实现可控功能化的聚合物材料，将天然物质塑形成人工产品是一个重要的策略。丝是节肢动物的自身分泌物，在维持生命方面起着重要的作用。而鉴于其在机械性能、生物相容性、可生物降解性等方面的特点，丝蛋白可被作为生物材料系统可调控设计的原型。近期，美国塔夫茨大学的David L. Kaplan教授（通讯作者）等人在著名综述类期刊Accounts of Chemical Research上发表了题为“Synergistic Integration of Experimental and Simulation Approaches for the de Novo Design of Silk-Based Materials”的综述文章。在这篇综述中，作者总结概述了丝基蛋白质系统认知和功能化研究方面的最新进展，并重点关注了如何将实验和模拟方法整合应用于生物聚合物的设计。

 综述导览图

1. 概况

丝是一种精致的聚合物材料，也是一种高度模块化的蛋白质聚合物。它具有高度的内部重复序列，侧链还存在着非重复性的N-或者C-末端区域。在内部重复序列中，poly(Gly-Ala)以及poly-Ala基序（motif）能够形成疏水的β结构（β结构）结晶区，而富含甘氨酸（glycine）的基序则形成亲水的非结晶区（如β转角或者无规卷曲等）。这些基序自组装形成分级构造，而在这一构造中有序交联的β结构纳米晶被限制在弹性的蛋白质基质中，最终使得丝纤维成为最坚韧也是最具多样化的材料之一。

利用重组DNA技术（recombinant DNA technology）仿效和发展模块化丝模板的思路为从分子水平建构材料提供了新的可能。此外，除了改变基因序列，通过生物合成后加工（post-biosynthesis processing）也能实现对材料组装的调控。在过去的十多年里，研究人员在利用重组丝模拟肽（recombinant silk mimetic peptides）来设计和加工生物聚合物的领域取得了长足的进步，对分子量、结构域尺寸（domain sizes）以及亲疏水分区等因素在蛋白质自组装过程等方面所扮演的角色有了更加深刻的认识。更重要的是，通过引入其他蛋白质的关键模块（key modules）或者功能化基团，重组DNA技术可以从头合成（de novo）丝基生物材料。

多尺度材料模拟（multiscale material simulations）可以提供材料性能改变的内在机理信息。在材料设计阶段的早期引入计算模型是从分子构建模块并产生功能的有效方法，这是一种有目标功能导向的材料设计的协同方法。这一方法也同样适合作为聚合物合金以及聚合物复合材料系统的创新路线图。

2. 实验方法和多尺度建模的整合用于生物聚合物的设计

2.1 丝基材料的生物合成

设计生产重组丝基生物材料（recombinant silks）的主要步骤包括基因设计、克隆、表达以及蛋白质纯化。经过基因改造的丝蛋白的主要优势在于序列的可修整性（tailorability）、蛋白质化学的多样性以及蛋白质尺寸的可控性。重组DNA技术虽然是研究序列-功能关系的有效工具，但在生产高分子量丝材料或者规模化生产丝蛋白时的作用却十分有限。

2.2 合成后加工

微流体以及湿法纺丝（wet spinning）技术是模仿自然纺丝过程而发展起来的，如今也被开发用于制备重组丝纤维。而化学物理改性，包括甲醇蒸汽处理以及酶交联反应等均能够促使高分子链组装形成二级结构或者聚合物网络以增强材料性能。此外，加工参数的改变连同蛋白质序列的变化也能够拓宽新型功能聚合物材料的设计思路。

2.3 多尺度建模与验证

对材料特性建模的常见方法包括小肽的分子动力学建模（MD）、蛋白质聚合物的副本交换分子动力学模拟（REMD）、纳米尺度的多分子系统、介观尺度的粗粒化建模（CG）等。隐性溶剂温度（implicit solvent temperature）副本交换分子动力学及其随后的显性溶剂常规分子动力学（explicit solvent conventional molecular dynamics）也可被用于研究原子尺度的系统动力学以及结构特性。

实验表征通常与模拟方法一道不仅可以用作实际结果的验证手段，也能为模拟模型的修正提供反馈。在原子或者纳米尺度，测量晶体结构、二级结构或者化学结构的实验方法能够为确定原子性质提供有效的信息。而在更大的尺度上，测量光学、热学以及机械性能的实验方法又能提供关于宏观物理性质的信息。而正是这些信息构成了对模拟模型的反馈。

图1 基因工程、聚合物加工、多尺度建模以及功能评估的协同整合用于新型功能化生物材料的设计

3. 实例1：蜘蛛丝设计原理可用于制造强劲的生物聚合物

尽管蜘蛛丝拥有很好的机械性能，但蜘蛛丝及其仿生材料的批量生产依旧是一个巨大的挑战。重组DNA技术是蜘蛛丝合成的手段之一，同时也为理解蜘蛛丝的序列设计、自组装机制以及纺丝过程奠定了基础。通过基因工程可以生物合成重组蜘蛛丝，它们的分子量、结构域尺寸等特征不同，更有利于理解序列-功能之间的关系，从而促进高机械强度的丝基材料的发展。

可扩展建模、生物合成以及加工处理的整合加深了对与天然蜘蛛丝相似的丝纤维形成过程的理解。比如借助这一综合方法，研究人员发现疏水性A域（hydrophobic A domain）体积占比越大的重组蜘蛛丝其β结构含量就越高，其机械刚度（mechanical stiffness）也就越高，并且这一结构更倾向于自聚集（self-associate）而形成分子间结构。

图2 整合建模和实验方法生产重组蜘蛛丝

4. 实例2：生物材料界面的优化设计

有机-无机界面是组织修复和再生领域生物材料功能的一部分。为了克服来自生物矿化界面的挑战以及对坚硬生物材料衍生出来的需求，通过基因工程对丝材料进行改性可以控制生物矿化过程。相关的研究已经阐明了包括域类型（domain types）和域分布（domain distributions）在内的一系列与矿化相关的特性与机械性能高度密切相关的关系。理解这些关键因素影响生物矿化的机理能够对丝基材料进行合理的设计，从而创造出新型的无机有机杂化系统。建模-实验方法的整合能够高效辨析关键参数在材料设计控制功能的过程中起到的作用。通过对模型的整合，可以对包括蛋白质折叠、带电单元的排列以及加工参数等在内的关键因素在促进生物矿化方面扮演的角色有更深刻的理解。

图3 整合建模和实验方法设计生物矿化界面

5. 实例3：动态材料：类丝弹性蛋白

拥有独特性能的丝材料也可以作为响应性复合材料的原材料。比如将丝-弹性蛋白（elastin）复合物用于可控的易变性设计。在这一过程中，蚕丝的序列GAGAGS与类弹性蛋白多肽（ELPs）的序列GXGVP融合，通过基因工程进行编码就能表达类丝弹性蛋白（SELPs），随后SELPs可作为模板用于刺激响应材料的制备。这一材料设计的基础即是丝的强劲机械性能和弹性蛋白的动态特性。另外，计算模型的加入可以有效减少试错结果的产生。多尺度分子模型已经被广泛用于类弹性蛋白多肽、弹性蛋白原（tropoelastin）、丝蛋白以及SELPs的研究。这些模型能够描述响应温度的结构转变以及机械性能变化的分子机制。在未来，还可以利用这些模型将相变效应放大到宏观尺度，用于新型刺激响应型材料的设计。

图4 整合建模和实验方法设计刺激响应型材料

 【总结】

具有可调功能化性能的生物材料在药物递送、组织工程、动态生物材料植入体、材料涂层和机械器件等领域具有广阔的应用前景。丝具有编码蛋白质序列控制的基因基础、优异的机械性能、生物相容性以及生物可降解性等特点，是作为联合实验和建模方法“从头设计”功能化生物材料的理想原型。尽管利用丝模拟肽可以从分子模块开始设计，但这种丝材料其机械性能依然劣于天然丝材料。这其中一部分是由于人工材料的分子量较低，并且蛋白质中的一些关键结构域在制备过程中容易被截断（truncation）的缘故。实验和计算的整合构成了协同反馈回路，有利于加深对机理的理解，从而优化材料设计并克服现有缺陷。

文献连接：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)

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