2021年6月2日，国际著名材料学期刊《Matter》（IF2020= 15.589）在线刊登了西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室赵爱春教授课题组与荷兰Radboud大学牙学院Fang Yang课题组合作的最新研究成果Genetic Hybridization of Highly Active Exogenous Functional Proteins into Silk-Based Materials Using “Light-Clothing” Strategy。整合进丝素蛋白材料的外源功能蛋白活性过低，一直是限制转基因家蚕平台被应用于合成高性能丝素蛋白材料的关键技术瓶颈。针对该问题，这项研究提出一种“轻装上阵”的全新合成策略，可大幅提高整合进入丝素蛋白生物材料中外源功能蛋白的活性，使其接近商品化标准品。
蚕丝是由家蚕丝腺分泌的液态丝蛋白经蚕的“吐丝器”加工而成的连续长纤维，是人类利用最早的天然动物纤维之一。丝素蛋白是蚕丝的主要成分，其在纺织业中被使用了数千年。随着科技的发展，近年来蚕丝（丝素）这一古老的材料“重获青春”，其在电子、光学、能源、环境科学和生物医药等多个新兴领域均显示出重大应用前景。家蚕转基因技术可实现将任意外源功能蛋白整合进入天然丝素蛋白，为开发各种新型的高性能丝素蛋白材料提供了一个环保、可量产、低成本的合成方法。
外源功能蛋白，本质上是一个融合蛋白。在家蚕转基因技术领域，为确保外源蛋白和内源丝素蛋白能同时合成并一同被分泌至蚕茧，通常将来自于内源丝蛋白的额外结构域引入外源蛋白结构序列的上游和/或下游，形成一个融合外源蛋白。而这些额外的结构域往往导致该融合外源蛋白发生多余的翻译后修饰，通过破坏其正常三级结构折叠而降低其活性，成为目前限制基于转基因家蚕的材料合成平台推广应用的关键技术瓶颈。
针对上述问题，研究小组提出了一种“轻装上阵”的全新合成策略，即通过计算机预测，合理地裁剪掉融合外源蛋白的额外结构域中的冗余部分。研究首先以绿色荧光蛋白作为标记外源蛋白，证实“轻装上阵”策略不仅可以避免融合外源蛋白合成过程中多余的翻译后修饰，而且能保证其与天然丝素蛋白一起正常分泌和提取，并且其提取的再生溶液可以制备成各种常见丝素蛋白材料形式。随后以表皮生长因子作为外源功能模型蛋白，利用计算机建模，发现该“轻装上阵”策略可以显著提高在家蚕丝腺中表达的融合外源蛋白正确的折叠能力；通过体外和体内实验，证实该策略可明显提高融合外源蛋白的活性，使其与商品化外源蛋白标准品相媲美。该“轻装上阵”策略，为利用转基因家蚕平台合成各种高性能丝素蛋白材料提供了一个可行的技术方案。
转基因家蚕材料合成平台：传统策略与“轻装上阵”策略的比较
家蚕基因组生物学国家重点实验室（西南大学）为论文第一署名单位，实验室龙定沛副教授和荷兰Radboud大学牙学院Xian Cheng博士为论文共同第一作者，西南大学赵爱春教授为最后通讯作者，荷兰Radboud大学Fang Yang教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家蚕桑产业技术体系建设项目、中国留基委及西南大学人才资金和欧洲Erasmus+项目的支持。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521001272
据悉，赵爱春课题组以商业化应用为目的，坚持开展家蚕丝腺表达系统相关研究，通过研究家蚕活体内成丝机理，解决表达外源蛋白活性低、纯化难、表达量低等商业化应用瓶颈问题。课题组近期在家蚕体内成丝机理方面取得突破，为克服这些难题打下了坚实的基础，相关成果2021年2月发表于国际生物材料期刊International Journal of Biological Macromolecules (IF2020=6.953)。https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.12.132。
供稿：赵爱春
审核：袁联伟