利用生物大分子進行材料的表面/界面修飾及官能化在提高材料的生物相容性和生物活性方面至關重要，比如細胞培養和診斷工具、藥物輸送、生物材料和再生醫學。作為生命的功能分子，蛋白質可以執行廣泛的功能，并可以通過基因工程對其結構進行精確編輯。然而，要充分利用蛋白質的力量，需要一種溫和高效且生物相容方法來將其加工成固定形式而不損害其天然結構和功能。經過過去幾十年的發展，層層組裝（LbL）技術已經成為非常成熟的構建功能薄膜和表面處理的手段。蛋白質對環境和加工條件非常敏感，將其固定到表面時可能發生聚集、變性、沉淀等問題。因此，通過層層組裝制備含生物大分子特別是蛋白質的多功能生物界面，并使其像在溶液中一樣發揮功能，仍然具有一定的難度。而且，在過去的研究中，人們通常只將蛋白質作為組裝的成分之一，或者利用高度帶電的蛋白質的靜電復合組裝，這樣得到的多層結構穩定性有限或可能因折疊結構被破壞而損失蛋白質的獨特功能。
最近，北京大學張文彬教授課題組、安陽工學院魏靜靜博士以及香港科技大學孫飛教授課題組三方緊密合作，利用蛋白質分子之間特有的高效生物相容的諜反應（圖1）制備出全蛋白質共價結合層層組裝多層膜。通常情況下，當使用單一類型化學連接手段進行層層組裝時，因為環狀結構的形成或者反應對由于空間位阻等因素無法充分接觸等原因，反應位點將呈現逐層減少的趨勢，從而使多層結構在增長了2-3個單層后停止生長（圖2a）。該團隊通過將組裝基元寡聚化，形成3D的反應簇（圖2b），實現多價協同作用，巧妙地保證了多層膜的穩定生長。
圖1. 諜反應原理：諜標簽與諜捕手生成異肽鍵。
圖2. 多層膜的增長示意圖。
生物系統中的許多過程都始于界面識別，受到生物界面上各種外部刺激的極大影響。借鑒生命體的識別與組裝原理實現蛋白質多層次多功能的組裝，制備具有高效刺激響應性和良好生物相容性的多功能生物界面顯得尤為重要。其中光是一種理想的調控生物分子行為的手段，它可以實現更高時間和空間精度的控制，并且在很大程度上減少對生物體系的傷害。該團隊在全蛋白層層組裝多層膜內引入光響應基團CarHC（CarH蛋白的C-末端結構域），利用其在黑暗條件下與腺苷鈷胺素（AdoB12）結合后四聚化，而在光照條件下（<530nm）又可改變其聚集狀態的特點，實現了對多層膜內負載蛋白質分子的快速高效釋放（圖3）。生物表界面狀態的光控調節具有非常重要的實用意義。全蛋白體系從原理上保證了生物蛋白類藥物、細胞等活性的無損引入，在藥物遞送、生物電催化以及蛋白質和細胞的可逆吸附和抗吸附等方面顯示出極大的潛能。
圖3. 全蛋白多層膜在光照條件下高效釋放蛋白質分子。
以上成果發表在ACS Macro Letters, 2018, 7, 514-518 (DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00147) 上，論文的第一作者為安陽工學院魏靜靜博士，通訊作者為北京大學張文彬教授和香港科技大學孫飛教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmacrolett.8b00147
