广东
近日，材料科学领域国际知名期刊《先进材料》（Advanced Materials），以封面论文发表了西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心夏庆友教授团队的最新研究成果《一种用于开发功能性丝素蛋白基生物材料的高效生物合成系统》（An Efficient Biosynthetic System for Developing Functional Silk Fibroin-Based Biomaterials）。
图1. 论文封面图
家蚕经历长达数千年的进化与人工驯化，其丝腺具备了超强的丝蛋白合成与分泌能力。蚕丝蛋白主要由外层的丝胶蛋白（～25%）和内层的丝素蛋白（～75%）所构成。其中，丝素蛋白因其优异的力学性能，生物相容性，生物降解性，以及形态可塑性，受到了材料学、工程学、再生医学等多领域专家学者的广泛关注。据统计，在全球范围目前已有超过十项基于丝素蛋白的医疗器械产品获得临床批文，市场转化与应用前景广泛。
在本研究中，研究团队针对丝素蛋白是由家蚕丝腺基因编码合成这一特性，创新提出通过遗传途径功能化改造丝素蛋白的策略，赋予丝素蛋白定制化生物功能，拓展其在医学组织工程领域中的应用。为此，研究人员首先建立了高效的家蚕丝素生物合成系统（Fib-HEXP），通过系统性优化，成功在蚕丝中合成了约占其质量7.86%的重组红色荧光蛋白（RFP）。研究发现，重组RFP具有与天然RFP一致的分子量，这一结果确保了外源蛋白正确的空间结构与有效的生物活性。研究还发现，重组RFP被分泌至丝腺腺腔中后，在经后部丝腺转运至中部、前部丝腺以及成纤的过程中，与丝素蛋白一起经历了“匀质荧光”“点状荧光”“荧光淬灭”以及“荧光恢复”等一系列有趣的构象变化，这与丝素蛋白在丝腺中转运和成纤过程中经历的“液固构象转化”极其一致。因此，为后续深入研究丝蛋白成纤过程的构象变化提供了宝贵素材。
新丝腺生物合成系统实现外源蛋白的高效表达以及丝素生物材料的功能化示意图
随后，研究人员利用家蚕合成的重组RFP蚕丝原料，开发了制备各类丝素荧光生物材料的技术工艺，确保了材料制备过程中外源蛋白活性。为测试丝腺生物合成系统的通用性，研究人员进一步创制了高效合成葡萄糖氧化酶（GOx）蚕丝的新型家蚕种质素材，利用上述工艺成功开发了具有抗菌活性的GOx-丝素水凝胶以及GOx-Fe3O4丝素水凝胶系统。该系统以丝素凝胶优异的生物相容性为伤口愈合创造良好的微环境，同时利用丝素中重组表达的GOx酶催化糖尿病伤口环境中的高浓度葡萄糖，产生具有杀菌抑菌的H2O2，同时降低血糖浓度，而H2O2又进一步被Fe3O4催化成羟基自由基，从而安全有效抑制了感染创面的细菌，改善了创面微环境，加速了血管生成，最终促进了糖尿病小鼠感染性创面的愈合。综上所述，本研究所开发的丝素生物合成系统为丝素蛋白的功能化改造提供了强有力的技术支撑，将进一步拓展丝素生物材料在医学组织工程中的广泛应用。
西南大学为论文第一署名单位，夏庆友教授为论文最后通讯作者，王峰研究员为论文第一作者和共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2022YFD1201600），国家自然科学基金（32030103）等项目的大力支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414878
来源：西南大学
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