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中科院长春应化所刘凯研究员课题组研发出新型工程化蛋白流体并应用于剪切力响应的双折射图谱信息收集
2018-05-28 来源:中国流变网    点击次数:109次    

  刺激响应智能材料可以对外界的刺激(诸如应力,光,电,热等)做出应答,引起其内部分子结构重排近而发生物理相转变。这一原理同样适用于工程化生物大分子流体体系。最近一项来自中科院长春应用化学所刘凯研究员课题组的研究成果表明,在剪切应力移除后,发生无序-有序相转变的蛋白流体仍持久稳定地保留了力致相变液晶结构。并且通过简单的光学显示技术可以检测并收集基于不同剪切应力的双折射图谱,尤其该技术可用于检测并记录生物信息指纹图谱,相关成果以“Genetically Engineered Supercharged Polypeptide Fluids: Fast and Persistent Self-Ordering Induced by Touch”发表在Angew. Chem.(DOI: 10.1002/anie.201803169)。

  在软物质领域,对剪切力诱导的相转变行为的研究已经非常深入,并且这对塑料和石油工业的加工优化过程起到非常重要的指导作用。但是目前报道的流体相转变行为在剪切力移除后不能保持,从而极大限制了它们的技术应用领域。此外,对生物大分子流体的剪切诱导相转变行为的研究和它们在生物信息领域的应用还没有深入发掘。

  针对以上问题,中科院长春应化所刘凯研究员课题组和荷兰格罗宁根大学/德国亚琛莱布尼茨交互材料研究所Andreas Herrmann教授团队合作,通过分子生物学重组技术和化学修饰策略,设计并制备了一种对外界剪切力响应灵敏的新型蛋白流体材料。通过简单的应力触碰,该蛋白流体就随即发生无序-有序相转变行为,而且在剪切力移除后,有序液晶结构可以完美保持。基于所施加的剪切应力(简单按压、水流冲刷、手指触碰等),该体系会产生特定的双折射纹理图案,因此通过简单的偏振光谱学技术就可用于揭示诸如指纹等与生物识别相关的细节信息。

图1:工程化蛋白流体:剪切力响应的无序-有序相转变。剪切力移除后,液晶结构可稳定保持。

  研究人员首先通过重组蛋白技术合成了超电荷的非折叠蛋白分子,然后通过静电作用力在侧链引入偶氮苯功能团。该蛋白复合物在水相中发生相分离,形成富含水的橙红色流体。在施加一系列不同环境中的微弱剪切力后,该流体分子内部结构从无序到向列型取向转变非常灵敏(图1)。深入研究发现,侧链修饰的偶氮苯基团对稳定蛋白流体的液晶结构起到重要的作用。大自然环境中剪切力无处不在,例如研究人员发现水的冲刷剪切也会导致该流体材料的相转变(图2),并且基于不同的水流速会产生不同大小的双折射区域,因此通过量化双折射就可以检测外界环境中剪切力的强弱。非常有意思的是,手指尖触碰该生物流体材料,会产生基于指纹图案的双折射纹理(图2)。换言之,手指指纹的细枝末节、隆起以及线条等各类细节都能完好地通过双折射图谱展现并存储起来。因此该类工程化蛋白流体材料有望用于记录、展示生物微观识别和图谱信息。该研究成果自发表以来迅速得到了国际科技媒体的广泛关注和报道,美国的ScienceDaily 、欧洲的ChemViews Magazine、Chemie.de、Analytica-world等均对该成果进行了专题报道。

图2:工程化蛋白流体:基于不同环境的剪切力诱导的双折射图案

  以上工作得到了中组部、国家基金委、中科院、长春应化所和稀土资源利用国家重点实验室等机构的研究资助,中科院长春应化所为第一完成单位,荷兰格罗宁根大学为第二完成单位,浙江大学和青岛科技大学也参与了该项目研究。刘凯研究员Andreas Herrmann教授为通讯作者,张蕾博士马超博士为第一作者。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201803169

 
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