RecombinantSpidroinswiththeSame
ToughnessasNaturalSpiderSilk>论文翻译
化学与材料工程学院高分子专业
学号XXXXXXX
学生姓名KITTY
&LC
指导教师
二〇XX年X月
文献来源：
ADVANCEDMATERIALS卷:
27期:
13页:
2189-2194
DOI:
10.1002/adma.201404234
出版年:
APR12015
BiomimeticFibersMadeofRecombinantSpidroinswiththeSameToughnessasNaturalSpiderSilk
由重组蛛丝蛋白制得韧性与天然蛛丝
一样的仿生纤维
Authors:
AnielaHeidebrecht;LukasEisoldt;JohannesDiehl;AndreasSchmidt;MarthaGeffers;GregorLang;ThomasScheibel
Abstract
Usingaself-assemblyofrecombinantspidroins,biomimeticspinningdopesareproducedandwet-spunintofibers.Uponvaryingthemoleculardesignoftheunderlyingrecombinantspidroins,theinfluenceoftheamino-andcarboxy-terminaldomains,aswellasthesizeoftherepetitivecoredomainonfibermechanics,isdetermined.Fibertoughnessuponbiomimeticprocessingequalsandevenslightlyexceedsthatofnaturalones.
Keywords:
biomimeticmaterials;phaseseparation;spidersilk;toughness
摘要
本课题研究了利用重组蛛丝蛋白的自组装，生产出仿生纤维纺丝原液并用湿法纺丝制得纤维的性能。
根据改变底层重组蛛丝蛋白的分子设计实验可知，氨基和羧基末端区域的影响，同重复的核区域大小对纤维力学性能的影响一样，是起决定性作用的。
基于仿生加工的纤维的韧性等同甚至略超过自然的纤维。
关键词：
仿生材料；相分离；蜘蛛丝；韧性
S
piderdraglinesilkexhibitsextraordinarymechanicalpropertiescombiningamoderatestrengthwithgoodextensibilityresultinginatoughnessexceedingthatofallothernaturalorsyntheticfibers.Althoughspidersilkhasbeeninthefocusofresearchsincedecades,themechanicalproperties,especiallythetoughness,ofreconstitutedman-madefibershaveneverreachedthoseofnaturalspidersilk.Thepropertiesarebasedontheunderlyingspidersilkproteins（spidroins）,theirself-assemblyandtheirexplicitprocessing.Here,twooutofthreepre-requisitesfortoughfibersaretackled;thecontributionofindividualspidroindomainstoassemblyisanalyzed,andprocessingofrecombinantspidroinsintofibersisshown.Fibertoughnessuponprocessingequalsandevenslightlyexceedsthatofnaturalonesdependentonboththeunderlyingproteinsandpreparation（biomimeticself-assembly）ofthesilkdope,althoughtheoverallstrengthislowerbasedontheusedandsimplifiedsingle-proteinset-up.
蜘蛛的牵引丝拥有中等强度和良好的可延展性，表现出非凡的力学性能，导致其韧性超过其他所有的天然或合成纤维。
蜘蛛丝几十年以来一直是研究的焦点，但人工再造纤维的力学性能尤其是韧性，从未达到天然蜘蛛丝的水平。
这些性能是基于底层蛛丝蛋白（spidroins）的自组装和显式加工过程。
对于坚韧的纤维而言，三分之二的重要条件已经被解决：
分析出了蛛丝蛋白单体域组装的贡献，显示出了重组蛛丝蛋白加工成纤维的过程。
虽然基于使用和简化单一蛋白质结构的组装后其整体强度较低，但加工过的纤维其韧性等同甚至略超过基于底层蛋白及其制备的纺丝液（仿生自组装）的天然纤维。
Spiderdraglinesilkhasforlongbeeninthefocusofmaterials’researchmainlyduetoatoughnessnootherfibercanaccomplish.Spidermajorampullate（MA）silkfibers,akadraglinesilk,showacore-shell-structure,withthecorecomprisingproteinaceousfibrilscoveredbyathree-layeredshellofminorampullate（MI）silk,glycoproteinsandlipids,withonlyaminorroleforthemechanicalpropertiesofthefibers.[1]ThemechanicsaremainlybasedontheproteinfibrilscomprisingatleasttwoproteinsclassifiedasMaSp1andMaSp2（MaSp,spidroin=spiderfibroin）,bothofwhicharegenerallydistinguishedbytheirprolinecontent,whichissignificantlyhigherinMaSp2.[2-4]MAspidroinshaveamolecularweightof200–350kDa[5,6]andarecomposedofahighlyrepetitivecoredomainflankedbyamino-andcarboxy-terminaldomainswithadistinctsequence.Thecoredomaincontainsrepeated（upto100times）[4,5]aminoacidmodulesof40–200aminoacids[3-5]composedofpolyalaninestretchesandglycine/proline-richmotifs.Thestrengthofnaturalspidersilkfibersisbasedonthepolyalaninestretchesstackedintoβ-sheets[7]resemblingnanocrystalliteswhichareembeddedinanamorphousmatrix,[1,8]basedontheglycine/proline-richareasandbeingresponsibleforthefiber'selasticityandflexibility.[9]Thenumberoftandemlyarrayedglycine/proline-richmotifs（GPGXX,X=predominantlytyrosine,leucine,glutamine）[4]isdirectlyconnectedtotheextensibilityofsilks.MaSp2hasnineconsecutiveGPGXX-motifsinasinglerepeatunit,[4]whereasflagelliformsilkhasatleast43ofthesemotifsinoneunit[10]andisthemostextensiblespidersilkwith200%ofelongation.[2]Strikingly,theterminaldomainsarehighlyconservedbetweendifferentspiderspeciesandevenbetweensilktypesofindividualspiders;theyarecomposedof100–150aminoacidsandarefoldedintofive-helixbundles.[11,12]Theterminaldomainsareassemblytriggersenablingthespidroinstorageathighconcentrations（upto50%（w/v））intheampullaofthespinninggland（resemblingtheso-calledspinningdope）andplayanimportantroleduringinitiationoffiberassembly.[13-16]
蜘蛛牵引丝因其有其他纤维不能达到的韧性长时间以来一直是材料研究的热点。
蜘蛛主要的MA丝纤维，即蜘蛛丝，显示出了核壳结构，核心由蛋白原纤构成（包含MI丝三层壳结构、糖蛋白和脂质），对于纤维的力学性能只起到了很小的作用。
[1]纤维的力学性能主要是由两种蛋白质MaSp1和MaSp2（MaSp,spidroin即为蛛丝蛋白）构成的蛋白原纤。
这两种蛋白质都含有脯氨酸，在MaSp2中的含量更高一些。
[2-4]MA蛛丝蛋白的分子量可达200-350kDa[5,6]，并且是由高度重复的核域和两侧以独特的序列排列着的氨基、羧基的终端域组成。
核域包含重复的（大于100倍）[4,5]由40-200个氨基酸（包括聚丙氨酸伸直链、甘氨酸/富脯氨酸结构基元）[3-5]构成氨基酸分子。
天然蜘蛛丝纤维的强度是依赖于聚丙氨酸伸直链堆叠成类似于嵌入无定形质的纳米微晶[1,8]的β折叠[7]，依赖于负责纤维的弹性和柔韧性的甘氨酸/富脯氨酸结构基元[9]。
串联着排列的甘氨酸/富脯氨酸结构基元（GPGXX，X主要为酪氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺）的数量[4]，直接关系到丝的可延展性。
MaSp2在一个简单的重复单元里有连续的九个GPGXX结构基元[4]，而细长而柔软的丝在一个单元里至少有43个这样的结构基元[10]，有着200%的伸长率，是最具延展性的蜘蛛丝[2]。
值得注意的是，终端域在不同的蜘蛛之间具有高度的保守性，甚至在同一蜘蛛身体内不同类型的丝之间；他们由100-150个氨基酸组成，并折叠成五螺旋束[11,12]。
终端域是使蛛丝蛋白以高浓度（重量/体积超过50%）存储在纺丝腺的壶腹中（类似于所谓的纺丝液）的组装触发器，并且在纤维开始组装时发挥重要作的用[13-16]。
Ithasbeenhypothesizedthatpre-assemblyofspidroinsintheglandisthecauseforlyotropicliquidcrystalbehaviorinvivo.[17,18]UponpassageofthespinningdopethroughthetaperedS-shapedspinningduct,sodiumandchlorideionsarereplacedbypotassiumandmorekosmotropicphosphateions（inducingsalting-outofthespidroins）.[19,20]Incombinationwithshear-stress,emergingfrompullingthefibersfromthespider'sabdomen,thespidroinsassembleintoanematicphase,[17]enablingformationandcorrectalignmentofβ-sheet-richstructures.[16]Invitro,duringstorageofthespidroinsatpH8.0micellar-likestructurescanbedetected,strictlydependingonthepresenceofthecarboxy-terminaldomain[14]basedonthefactthatcarboxy-terminaldomainsformdisulfide-linkedparalleldimers,[16]whiletheamino-terminaldomainsaremonomericatneutralpH.[21]Addingphosphateionscausesthenonrepetitivecarboxy-terminaldomaintopartiallyrefoldandsubsequentlyexposehydrophobicareas,[16]necessarytoinitiatefiberassembly.Further,upondecreasingthepHto≈5.7,asfoundattheendofthespinningductinvivo,[22]dimerizationoftheamino-terminaldomaininanantiparallelmanneristriggeredinvitro,[22]yieldinghead-to-taildimersenablingtheformationofanendlessnetworkconnectingthenanocrystallineβ-sheetstructures.[14-16,21]
假设，蛛丝蛋白在腺内发生预装是因为有机生物体内的溶致液晶行为[17,18]。
在纺丝液通过锥形的s型纺丝输送管时，钠离子和氯离子被钾离子和磷酸盐离子（诱导盐析蛛丝蛋白）取代[19,20]。
同时剪切应力产生作用，自蜘蛛的腹部生产出丝，蛛丝蛋白开始组装成液晶相[17]，使β富折叠结构形成并恰当排列[16]。
在体外，蛛丝蛋白存储在pH为值8.0的环境中时可以发现类胶束结构，是因为羧基终端域的存在[14]，羧基终端域形成二硫化物连接形成了平行二聚体[16]而氨基终端域在中性环境中是以单体形式存在的[21]。
那个添加磷酸离子使非重复性的羧基终端域的一部分再折叠，随后裸露出疏水端[16]，对于引发纤维组装很关键。
进一步，降低pH值约为5.7，就像在有机生物体内纺丝输送管末端发现的一样[22]；在体外氨基终端域里反平行二聚反应被引发[22]，产生头尾相连的二聚体形成无尽的网络以连接类纳米微晶的β折叠结构[14–16,21]。
Eventhoughplentyofartificialspidersilkfibershavebeenproducedinthepastusingdifferentrecombinantorreconstitutedspidroinsandspinning-techniques,sofarnofibershavebeenobtainedwithmechanicalproperties,i.e.,toughness,evengettingclosetothatofnaturalspidersilkfibers.[23]
尽管在过去已经有人使用不同的重组或再造蛛丝蛋白及纺丝技术生产出了大量的人造蛛丝纤维，但到目前为止，没有一种人造蛛丝纤维获得较好的力学性能，或是说韧性，更不要说接近天然蜘蛛丝纤维的性能了。
[23]
Here,wemadeuseofpreviouslyestablishedtechnologiestorecombinantlyproducespidersilk-likeproteinsbasedonthesequenceofgardenspider（A.diadematus）MAspidroins.A.diadematusMAsilkcontains,incontrasttootherinvestigatedspiderspecies,atleasttwoMaSp2proteinswhicharecalledA.diadematusfibroin3and4（ADF3andADF4）.Here,basedonconsensussequencesofADF3（sequenceaccessionnumber:
AAC47010）eightengineeredvariants（eADF3）weredesignedforrecombinantproductioninE.coli,varyinginlength/numberofcorerepeatsandpresence/absenceoftheamino-and/orcarboxy-terminaldomains（Figure1A）,inordertoinvestigatetheimpactofindividualdomainsonstorage,spinningdopeconditions,assembly,andmechanicalpropertiesoffibersuponspinning.
在这里，我们利用了前人建立的技术：
重组产生基于已知花园蜘蛛（A.diadematus）的MA蛛丝蛋白序列的蛛丝蛋白。
A.diadematus，与其他研究的蜘蛛物种做对比，包含至少两种MaSp2蛋白质，它们被称为A.diadematusfibroin3和A.diadematusfibroin4（ADF3和ADF4）。
在这里，基于ADF3（序列检索号：
AAC47010）的共有序列，设计出八个变体（eADF3）在大肠杆菌体内重组生成。
这八个变体的不同之处在于：
核重复单元的长度和数量、氨基酸终端域与/或羧基终端域的有或无（图1A），用以研究单元域存储、纺丝液条件和纺丝纤维的机械性能对纺丝的影响。
（Figure1.（A）Schemeoftheemployedrecombinantproteins,thesequencesoftheindividualdomainsarederivedfromADF3（seetheSupportingInformation）,oneofthetwoidentifiedMaSp2componentsofA.diadematusdraglinesilk.Thetheoreticalmolecularweight（MW,calculatedusingtheProtParamtool:
http:
//web.expasy.org/protparam/）oftherespectiverecombinantproteinsisshown.*:
Disulfidelinked.B–D）PolarizedFTIRspectratakeninparallel（0°,red）andperpendicular（90°,blue）tothefiberaxis.（Inset）Enlargementoftheabsorptionbetween1000and900cm−1.Thearrowsintheinsetsmarkthespecific（Ala）nabsorbanceat≈963cm−1;B）A.diadematusdraglinesilk,C）eADF3（N1L（AQ）12NR3）-fibers,0%poststretched,D）eADF3（N1L（AQ）12NR3）-fibers,600%poststretched.）
（图1（A）被用重组蛋白的计划，单元域的序列来自于ADF3（见辅助信息），ADF3是A.diadematus蜘蛛丝中MaSp2的两种组成成分的其中之一。
每个重组蛋白的理论分子量（MW，使用ProtParam工具（http:
//web.expasy.org/protparam/）计算）已罗列出来。
*表示二硫化物已产生连接作用。
（B-D）采用偏振红外光谱对与纤维轴相比水平的（0°，红色）和垂直的（90°，蓝色）两个方向测试。
（插图）吸收扩大在1000至900cm-1。
插图中的箭头标记是特殊的丙氨酸的吸收峰，约在963cm-1；（B）A.diadematus蜘蛛丝，（C）eADF3（N1L（AQ）12NR3）纤维，伸长率为0%，（D）eADF3（N1L（AQ）12NR3）纤维，伸长率为600%。
）
Previously,thespinningdopehasbeenidentifiedasonehighlyimportantfactorfor
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