質(zhì)子是帶正電荷的亞原子粒子。質(zhì)子易位在自然現(xiàn)象和人造技術(shù)中起重要作用。但是，控制生物材料和設(shè)備中的質(zhì)子傳導(dǎo)和制造仍然具有挑戰(zhàn)性。在一份新的報(bào)告中，馬超和一支由中國(guó)，荷蘭和德國(guó)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)組成的研究小組合理地設(shè)計(jì)了質(zhì)子傳導(dǎo)性蛋白質(zhì)構(gòu)成材料，該材料超過(guò)了先前報(bào)道的蛋白質(zhì)(由蛋白質(zhì)組成或包含蛋白質(zhì))系統(tǒng)。他們通過(guò)逐步探索肽序列來(lái)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)從固有的無(wú)序卷曲到蛋白質(zhì)增壓的多肽嵌合體。新的設(shè)計(jì)范式為在人工和生物系統(tǒng)的界面上制造生物質(zhì)子器件提供了潛力，其結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

質(zhì)子傳導(dǎo)負(fù)責(zé)生物學(xué)的基本過(guò)程，包括生物發(fā)光，5'-三磷酸腺苷的合成以及光觸發(fā)的質(zhì)子移位。生物工程師和材料科學(xué)家以前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種具有質(zhì)子移位行為的合成材料，包括混合系統(tǒng)，盡管它們的缺點(diǎn)已阻礙了生物電子學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域。為了開(kāi)發(fā)專(zhuān)用于質(zhì)子傳導(dǎo)的生物材料，科學(xué)家必須探索其固有的質(zhì)子傳導(dǎo)行為的支架和序列。在水合狀態(tài)下，質(zhì)子可以通過(guò)水分子沿著質(zhì)子跳躍的機(jī)制沿著相鄰的鍵網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)，質(zhì)子跳躍被用作設(shè)計(jì)從頭(即從頭開(kāi)始)的質(zhì)子傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的藍(lán)圖。在這項(xiàng)工作中，馬等人。他們開(kāi)發(fā)了一種基于蛋白質(zhì)的逐步質(zhì)子傳導(dǎo)膜，該膜具有一組未折疊的，含有谷氨酸殘基的陰離子超荷電多肽(SUP)。

開(kāi)發(fā)質(zhì)子傳導(dǎo)蛋白材料

在質(zhì)子傳導(dǎo)膜的多肽主鏈中，親水的(親水的)帶電部分用作質(zhì)子載體。該團(tuán)隊(duì)研究了這些未折疊系統(tǒng)的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，從而獲得了獨(dú)立的膜，并通過(guò)將類(lèi)似絲的β-片層結(jié)構(gòu)與陰離子SUP合并形成自組裝納米結(jié)構(gòu)，完善了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該小組用致密的羧酸基團(tuán)裝飾了表面，以進(jìn)行水合作用，質(zhì)子解離并形成質(zhì)子傳導(dǎo)途徑。機(jī)械穩(wěn)定和獨(dú)立的膜超越了迄今為止報(bào)道的基于蛋白質(zhì)的系統(tǒng)的傳輸特性，具有出色的質(zhì)子傳導(dǎo)性。

研究小組從彈性蛋白中提取了增壓蛋白質(zhì); 先前針對(duì)蛋白質(zhì)工程和界面修飾的應(yīng)用進(jìn)行了探索。他們將谷氨酸(縮寫(xiě)為Glu或E)引入了谷氨酸(可在生理?xiàng)l件下輕易地質(zhì)子化到蛋白質(zhì)序列的X位點(diǎn))，形成無(wú)結(jié)構(gòu)的負(fù)超荷電多肽(SUP-Es)。然后他們構(gòu)建了三種不同的增壓多肽變體，稱為E72，HC_E35和DC_E108。Ma等。二手的電化學(xué)阻抗譜(EIS)和金指狀電極(IDE)，以評(píng)估薄膜質(zhì)子傳導(dǎo)并根據(jù)相對(duì)濕度測(cè)量質(zhì)子傳輸。當(dāng)濕度增加到90%時(shí)，由于通過(guò)材料的羧酸(-COOH)基團(tuán)吸收了大量水分子，質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)得以改善。除了相對(duì)濕度，他們還研究了質(zhì)子傳導(dǎo)與目標(biāo)樣品相對(duì)于電荷載流子密度的關(guān)系。通過(guò)調(diào)整無(wú)序蛋白質(zhì)的電荷密度，Ma等。成功地控制了薄膜中蛋白質(zhì)的質(zhì)子傳導(dǎo)行為。由于由SUPs制成的薄膜具有很高的穩(wěn)定性和均勻性，因此該設(shè)置沒(méi)有出現(xiàn)缺陷的跡象。

折疊的蛋白質(zhì)骨架和蜘蛛E發(fā)育

Ma等。然后進(jìn)一步研究了折疊的納米級(jí)蛋白質(zhì)骨架，并在納米級(jí)支架上的表面配備了羧酸，類(lèi)似于SUPs。他們使用X射線衍射研究了增壓蛋白質(zhì)樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，以獲取其結(jié)構(gòu)域的獨(dú)特特征，以表明納米結(jié)構(gòu)成分如何促進(jìn)質(zhì)子移位。這項(xiàng)工作使研究小組能夠合理地改造蛋白質(zhì)基序以進(jìn)行質(zhì)子傳導(dǎo)。Ma等人，由于質(zhì)子傳導(dǎo)性的提高而受到激勵(lì)。將所得的設(shè)計(jì)元素與現(xiàn)有的增壓多肽(SUP)結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。

他們沒(méi)有在材料結(jié)構(gòu)中使用β-桶形圖案，而是使用了機(jī)械穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)- 從蜘蛛絲獲得的序列。他們將陰離子SUP與β-折疊序列的組合系統(tǒng)命名為“ spider-E”?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中使用質(zhì)粒-載體表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)了重組陰離子Spider-E材料，并使用X射線衍射，傅立葉變換紅外(FTIR)光譜和原子力顯微鏡確定了結(jié)構(gòu)。與單獨(dú)的無(wú)定形SUP膜相比，spider-E膜顯示出更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性。

表征Spider-E材料結(jié)構(gòu)

β-片狀結(jié)構(gòu)的材料體系表現(xiàn)出改進(jìn)的機(jī)械性能，可輕松生產(chǎn)為自支撐膜。例如，Ma等。drop在實(shí)驗(yàn)室中澆鑄了Spider-E解決方案以設(shè)計(jì)透明的宏觀膜。結(jié)果表明，由于包含蜘蛛基序，其屈服強(qiáng)度可與重組蜘蛛絲材料媲美，因此結(jié)構(gòu)的機(jī)械堅(jiān)固性。研究人員展示了蜘蛛基序如何通過(guò)親水表面由富含谷氨酸的SUP鏈構(gòu)成的β-折疊結(jié)構(gòu)域，從而促進(jìn)了出色的質(zhì)子跳躍。該研究突破了現(xiàn)有的蛋白質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)材料的極限，代表了蛋白質(zhì)工程學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵例子。這項(xiàng)工作代表了將蛋白質(zhì)工程和本體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與分子集合體的集體特性相結(jié)合的首批實(shí)例之一。

這樣，Chao Ma及其同事應(yīng)用了合理的分子從頭設(shè)計(jì)和工程技術(shù)，獲得了具有生物質(zhì)感的蛋白質(zhì)衍生的塊狀材料，該材料具有強(qiáng)大的質(zhì)子傳導(dǎo)性能和出色的機(jī)械穩(wěn)定性。他們使用一系列生物物理工具測(cè)試了表面改性。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新一代的，具有生物啟發(fā)性的散裝材料，并探索了連續(xù)的序列設(shè)計(jì)，為在生物技術(shù)中的應(yīng)用提供了一個(gè)有希望的平臺(tái)，并設(shè)想將這種材料用于未來(lái)的小型化生物燃料電池中的質(zhì)子運(yùn)輸。