生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院錢志剛、夏小霞課題組合作建立蜘蛛絲蛋白高效分泌生產(chǎn)平臺(tái)
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院錢志剛、夏小霞課題組合作在代謝工程與合成生物學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Metabolic Engineering》發(fā)表題為Secretory production of spider silk proteins in metabolically engineered Corynebacterium glutamicum?for spinning into tough fibers的研究論文。生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生金清、潘芳為并列第一作者，錢志剛和夏小霞老師為共同通訊作者。
擁有“生物鋼”美譽(yù)的蜘蛛絲，不僅具有超越其他天然及人造纖維的力學(xué)性能，而且具有良好的生物相容性和可降解性，因此在航空、國(guó)防以及生物材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，由于蜘蛛同類相食的個(gè)性，無(wú)法像家蠶一樣高密度養(yǎng)殖，因此天然蛛絲來(lái)源極為有限。多年來(lái)，研究人員嘗試了轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、植物等多種細(xì)胞體系，試圖通過(guò)異源合成蛛絲蛋白大量制備人工絲，但是由于合成水平低下、成本高昂等原因難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。微生物宿主，因其生長(zhǎng)快速、培養(yǎng)成本低廉的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。
該研究首次建立了以谷氨酸棒桿菌為宿主的蛛絲蛋白高效分泌生產(chǎn)平臺(tái)（圖1）。在特定信號(hào)肽的引導(dǎo)下，蛛絲蛋白可通過(guò)Sec分泌途徑轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外，進(jìn)而通過(guò)多水平的宿主代謝工程改造以及高密度發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)蛛絲蛋白在培養(yǎng)基中的高水平、高豐度富集。通過(guò)自主研發(fā)的兩步沉淀純化方法，可獲得純度高達(dá)93.0%的蛛絲蛋白，純化得率可達(dá)2.2?g/L。令人驚喜的是，微生物分泌的蛛絲蛋白具有超越天然的水溶性，使得制備超高濃度的水相紡絲原液（高達(dá)66%）成為可能，進(jìn)而成功紡成韌性高達(dá)70.0 MJ m?3的人工蛋白質(zhì)纖維。
圖1.微生物高效分泌蛛絲蛋白及人工紡絲
該研究受蜘蛛分泌蛋白成絲的啟發(fā)，利用生物安全（GRAS）、分泌效率高的谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)蛛絲蛋白，不僅規(guī)避了以往細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間滯留造成的蛛絲蛋白水溶性差、回收成本高和得率低的難題，而且建立了低分子量蛛絲蛋白制備高性能人工絲的新途徑，為蜘蛛絲蛋白材料的綠色可持續(xù)合成及應(yīng)用提供了新機(jī)遇。
該研究獲得科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFA0907702）和國(guó)家自然科學(xué)基金（22075179和32071414）的資助。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.01.009
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