水凝膠由於其優良的物理化學效能而在諸多領域有廣泛應用。在過去的20年，由於重組DNA科技和蛋白質工程技術的發展，實現了對合成蛋白質序列、折疊結構、鏈長和單分散性的精確控制，重組工程蛋白也成為工程水凝膠的重要組成部分。此外，它可以設計包含不同功能和結構域的蛋白質，從而更容易控制和預測最終蛋白質水凝膠的生物、物理和機械效能。儘管功能性蛋白水凝膠在工程上取得了重大進展，但基於蛋白質的形狀記憶/變形水凝膠的開發在很大程度上仍亟需探索。
近日，不列顛哥倫比亞大學李宏斌課題組基於蛋白質折疊-展開機制，設計了一種蛋白質基的雙層形狀記憶/變形水凝膠。通過利用兩個串聯模塊——彈性蛋白（GB1）8和（FL）8成功製備出具有雙層結構的蛋白質水凝膠。兩個蛋白質層均展示出獨特的變性劑依賴性膨脹曲線和楊氏模量。由於這種蛋白質展開-折疊引起的溶脹變化，雙分子層水凝膠可以根據變性劑濃度和蛋白層的幾何形狀，表現出高度可調並且可逆的雙向彎曲變形。基於這些可程式設計和可逆彎曲行為，研究者進一步利用蛋白質雙分子層結構作為鉸鏈，實現了圖案化水凝膠從一維到二維和二維到三維折疊轉換。相關工作以“Engineering shape memory and morphing protein hydrogels based on protein unfolding and folding”為題發表在最新一期的《Nature Communications》上。
圖1.具有雙層結構的工程蛋白基變形水凝膠
基於蛋白質折疊-展開機制設計可變形的蛋白質水凝膠
雙層型水凝膠是基於兩個水凝膠層由於不同的溶脹程度和機械效能而產生的不對稱響應所形成的。囙此，使用兩種蛋白質水凝膠設計變形蛋白水凝膠是可行的，前提是它們的機械效能和膨脹效能能够被外界刺激所調節。由於蛋白質的展開-折疊機制會導致蛋白質基水凝膠的力學和膨脹效能發生顯著變化，研究者認為，選擇兩種具有不同化學變性特性的蛋白質來構建雙層蛋白質水凝膠，可以通過化學去折疊的方法來誘導其溶脹行為，進而利用這種不對稱變化來設計可變形的蛋白質水凝膠。
研究者選擇了兩種已經過充分研究的（GB1）8和（FL）8的蛋白質水凝膠，以證明基於蛋白質折疊和展開來設計形狀變形的蛋白質水凝膠的可行性。（GB1）8和（FL）8是兩個串聯模塊彈性蛋白，分別包含小球狀蛋白GB1和FL的8個串聯重複序列（圖1a）。這兩種蛋白質都可以通過[Ru（bpy）3]2+介導的光化學誘導方法輕易地交聯成蛋白質水凝膠。
（GB1）8和（FL）8水凝膠對化學變性劑具有不同的溶脹反應
研究者首先通過實驗證實，GB1和FL不同的平衡展開特性會導致（GB1）8和（FL）8水凝膠的溶脹效能有所差异。圖1b為兩種蛋白質水凝膠在蛋白質濃度為20%時的照片。得到的（GB1）8水凝膠透明，而（FL）8水凝膠不透明。兩種水凝膠在PBS中表現出不同的溶脹行為（圖1c）——（GB1）8水凝膠在PBS中的溶脹率（SR）為64±5%，而（FL）8水凝膠脫水，溶脹率為−7 ± 3%。
當（GB1）8和（FL）8水凝膠從PBS轉移到含GdmCl的緩衝液時，兩種水凝膠的溶脹比都隨著GdmCl濃度的新增而新增（從0 M到7.0 M）（圖1c），基本遵循化學變性曲線的趨勢。（GB1）8的溶脹率從PBS的64%新增到489 ± 3%。相比之下，（FL）8水凝膠的溶脹率表現出更顯著的新增——從PBS的7%提高到1280 ±144%（n = 6）。
基於這些結果，研究者預測由（GB1）8和（FL）8層組成的雙層水凝膠會隨著GdmCl濃度的變化而出現雙向彎曲行為，彎曲角度會隨著變性劑濃度的新增而增大，如圖1d所示。
圖2.由（GB1）8和（FL）8構建的蛋白質雙分子層水凝膠資料表現出的變形行為
（GB1）8/（FL）8雙分子層水凝膠在PBS和GdmCl的作用下發生形變
研究者利用3D列印製作了（GB1）8/（FL）8雙層水凝膠條，厚度為1.2 mm。如圖2a所示，雙層水凝膠從模具中取出後仍保持直條狀。兩個蛋白質層之間的清晰邊界是可見的。一旦浸入PBS中，雙層剝離自發向（FL）8層側彎曲，並在約半小時內膨脹達到平衡（圖2b）。當GdmCl濃度調整到0.6 M時，水凝膠彎曲角减小到幾乎為零，表明（GB1）8和（FL）8水凝膠層的SR相等。當GdmCl濃度進一步新增時，隨著雙層帶向（GB1）8層側彎曲，水凝膠彎曲角變為負值。由於溶脹/去溶脹主要由溶劑進出蛋白質水凝膠的擴散程度控制，溶脹/去溶脹是相對緩慢的過程，在PBS中大約需要1 h，在7.0 M GdmCl中需要2 h才能完成。
（GB1）8/（FL）8雙層水凝膠的可調控以及可逆的變形行為
由於蛋白質折疊-展開是可逆的，研究者認為蛋白質折疊-展開引起的形狀變形應該也是可逆的。如圖2d所示，雙層水凝膠在PBS-和GdmCl -中的響應彎曲行為表現出良好的可逆性和重複性。（GB1）8/（FL）8雙層水凝膠在PBS和7.0 M GdmCl溶液中可交替浸泡7個迴圈。此外，在反復變形的情况下，兩層蛋白之間沒有明顯的分層現象，說明兩層蛋白具有較强的介面結合能力。
圖3.用變性交聯（DC）方法製備蛋白質雙分子層水凝膠條的形狀變形程度新增
圖4.利用雙層扭搭實現複雜水凝膠形狀的形變程式設計
利用雙層扭搭程式設計和控制水凝膠形狀
（GB1）8/（FL）8雙分子層水凝膠條的彎曲方向和彎曲程度受雙分子層幾何形狀和變性劑濃度的影響較大。這種良好可調性和較大的彎曲角度為實現蛋白質水凝膠的可控和可程式設計變形提供了可行性。如圖3a所示。通過在含有不同GdmCl濃度的緩衝液中浸泡（GB1）8/DC-（FL）8雙層水凝膠，可以很容易地實現不同半徑的弧度（圖4a）。
更複雜的水凝膠形狀變形可以通過只將彎曲定位到指定位置來實現。研究者製作了一種包含一個各向異性（GB1）8/DC-（FL）8雙層單元和兩個各向同性（GB1）8單元的帶狀水凝膠。（GB1）8/DC-（FL）8雙層鉸鏈在PBS中溶脹平衡時彎曲，而各向同性（GB1）8保持線性，導致整體折疊變形（圖4b）。
此外，可以從（GB1）8/DC-（FL）8和（GB1）8單元構建立方體形狀的水凝膠（圖4e）。雙分子層單元的彎曲響應使不活躍的（GB1）8能够在自身重量的作用下站立起來，說明雙分子層變形產生的力很强，可用於從二維水凝膠結構實現更複雜的三維形狀變形。
小結
利用兩種蛋白水凝膠在GdmCl作用下顯著不同的溶脹行為，研究者開發了一種可程式設計變形（GB1）8/（FL）8雙層水凝膠。通過使用一層接一層的製造策略，研究者能够單獨設計每個蛋白質層的幾何形狀和效能，從而賦予（GB1）8/（FL）8雙層水凝膠優异的彎曲可調性。這種可程式設計彎曲/變形表現出良好的可逆性和穩定性。採用（GB1）8/（FL）8雙層單元作為鉸鏈驅動水凝膠整體變形，實現了水凝膠從一維到二維再到三維的變形。
這項工作證明了利用蛋白質折疊-展開作為一種機制來設計形狀記憶/變形雙層蛋白質水凝膠的可行性。通過使用不同的蛋白質和外部刺激可以精確地程式設計形狀。囙此，研究者的這項工作將為水凝膠形狀記憶/變形提供新的研究思路，並有助於為動態蛋白水凝膠在人工肌肉、軟機器人和生物醫學工程等領域的新應用提供新的創新點。