近日，材料科學領域國際知名期刊《先進材料》（Advanced Materials），以封面論文發表了西南大學前沿交叉學科研究院生物學研究中心夏慶友教授團隊的最新研究成果《一種用于開發功能性絲素蛋白基生物材料的高效生物合成系統》（An E?cient Biosynthetic System for Developing Functional Silk Fibroin-Based Biomaterials）。

圖1. 論文封面圖

家蠶經歷長達數千年的進化與人工馴化，其絲腺具備了超強的絲蛋白合成與分泌能力。蠶絲蛋白主要由外層的絲膠蛋白（～25%）和內層的絲素蛋白（～75%）所構成。其中，絲素蛋白因其優異的力學性能，生物相容性，生物降解性，以及形態可塑性，受到了材料學、工程學、再生醫學等多領域專家學者的廣泛關注。據統計，在全球范圍目前已有超過十項基于絲素蛋白的醫療器械產品獲得臨床批文，市場轉化與應用前景廣泛。

在本研究中，研究團隊針對絲素蛋白是由家蠶絲腺基因編碼合成這一特性，創新提出通過遺傳途徑功能化改造絲素蛋白的策略，賦予絲素蛋白定制化生物功能，拓展其在醫學組織工程領域中的應用。為此，研究人員首先建立了高效的家蠶絲素生物合成系統（Fib-HEXP），通過系統性優化，成功在蠶絲中合成了約占其質量7.86%的重組紅色熒光蛋白（RFP）。研究發現，重組RFP具有與天然RFP一致的分子量，這一結果確保了外源蛋白正確的空間結構與有效的生物活性。研究還發現，重組RFP被分泌至絲腺腺腔中后，在經后部絲腺轉運至中部、前部絲腺以及成纖的過程中，與絲素蛋白一起經歷了“勻質熒光”“點狀熒光”“熒光淬滅”以及“熒光恢復”等一系列有趣的構象變化，這與絲素蛋白在絲腺中轉運和成纖過程中經歷的“液固構象轉化”極其一致。因此，為后續深入研究絲蛋白成纖過程的構象變化提供了寶貴素材。

新絲腺生物合成系統實現外源蛋白的高效表達以及絲素生物材料的功能化示意圖

隨后，研究人員利用家蠶合成的重組RFP蠶絲原料，開發了制備各類絲素熒光生物材料的技術工藝，確保了材料制備過程中外源蛋白活性。為測試絲腺生物合成系統的通用性，研究人員進一步創制了高效合成葡萄糖氧化酶（GOx）蠶絲的新型家蠶種質素材，利用上述工藝成功開發了具有抗菌活性的GOx-絲素水凝膠以及GOx-Fe3O4絲素水凝膠系統。該系統以絲素凝膠優異的生物相容性為傷口愈合創造良好的微環境，同時利用絲素中重組表達的GOx酶催化糖尿病傷口環境中的高濃度葡萄糖，產生具有殺菌抑菌的H2O2，同時降低血糖濃度，而H2O2又進一步被Fe3O4催化成羥基自由基，從而安全有效抑制了感染創面的細菌，改善了創面微環境，加速了血管生成，最終促進了糖尿病小鼠感染性創面的愈合。綜上所述，本研究所開發的絲素生物合成系統為絲素蛋白的功能化改造提供了強有力的技術支撐，將進一步拓展絲素生物材料在醫學組織工程中的廣泛應用。

西南大學為論文第一署名單位，夏慶友教授為論文最后通訊作者，王峰研究員為論文第一作者和共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃（2022YFD1201600），國家自然科學基金（32030103）等項目的大力支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414878

來源：西南大學