基于硫醇—二硫键交换反应的二维蛋白质基超大薄膜制备及多功能应用

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设计与合成具有结构和功能可调的自支撑二维蛋白质基薄膜在生物表界面科学发展和应用中起着至关重要的作用,然而制约该材料进一步合成和功能化的难题主要有以下几点:(1)大规模的制备;(2)使用有毒的试剂和复杂的工艺;(3)在二维材料制备过程中,蛋白质分子易失活;(4)功能性不足且缺乏界面粘附性。本论文基于硫醇与二硫键交换反应制备了蛋白质基二维超大薄膜,具有制备简单、易于规模化、优异的生物相容性、粘附性以及从表面可控的固定和释放活性小、中、大分子,且并未出现明显的活性丧失。主要研究工作简述如下:(1)探究半胱氨酸还原蛋白质二硫键并发生硫醇-二硫键交换反应的过程以及诱导形成蛋白质薄膜的组装机制本工作选用了 一种无毒的还原剂半胱氨酸,详细地探讨了蛋白质二硫键被半胱氨酸还原的条件和过程。发现该反应可保持溶菌酶生物活性不变,其原因是反应位点离蛋白质活性口袋较远,导致形成了溶菌酶部分解折叠单体。此单体可发生类淀粉样聚集而形成蛋白质基薄膜或涂层。接着又探究了时间、浓度、pH分别对蛋白质薄膜的影响以及阐明了蛋白质薄膜的形成机理。通过红外光谱、CD、ThT染色、刚果红染色等手段证明了在半胱氨酸诱导溶菌酶反应的过程中,其二级结构从α-helix向β-sheet转变,所形成的蛋白质薄膜具有类淀粉样的结构。该蛋白质薄膜具有制备简便、生物相容性优异、价格廉价、可大面积制备、无色透明的特点,可粘附在多种基材表面(金属、聚合物、无机物)、优异的稳定性(耐酸、耐碱、3M胶带撕拉),为后续的表界面改性提供了一个良好的平台。(2)基于蛋白质薄膜对于不同大小活性分子的固定和可控释放本研究发现半胱氨酸对于蛋白质二硫键的还原具有选择性,因此,可通过一步法将溶菌酶溶液,半胱氨酸溶液和目标分子混合,得到固定目标分子的蛋白质薄膜,且所固定分子的活性不会发生明显降低。通过BET实验和PEG渗透实验证明该蛋白质薄膜具有2 nm的孔径,并且可以通过京尼平交联来实现从固体表面可可控释放活性分子和胶体。相比于聚多巴胺和单宁酸/铁的有色涂层,本工作发展的蛋白质基薄膜更有望用于生物医学、能源、催化和环境保护等方面,为生物芯片、药物释放等领域的实际应用提供了切实可行的方法。
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