基于表面力儀的貽貝足絲蛋白粘附機理研究.pdf

1、生物粘附由于其相對于傳統(tǒng)人工材料所特有的優(yōu)勢啟發(fā)人們廣泛地開展針對生物粘附系統(tǒng)的研究，并積極研制各種仿生或受生物啟發(fā)的粘性材料。但是，目前仿生粘附材料的應用仍然受到很多限制，例如材料在潮濕環(huán)境中無法保持穩(wěn)定的粘附狀態(tài)。貽貝在高鹽的海水中擁有穩(wěn)定且多樣性的吸附能力，這為人們開發(fā)防水粘性材料提供了一種完美的解決方案。研究表明，貽貝與表面的粘附是直接通過其足絲盤中分泌的足絲蛋白形成的，而這些蛋白所含有的氨基酸殘基—3，4-二羥苯丙氨酸（多巴）

2、在粘附中起關鍵作用。通常情況下，貽貝足絲蛋白的粘附性能與其中的多巴含量直接相關。在關于貽貝粘附的研究中，貽貝足絲蛋白的粘附機理是最基本的、也是最復雜的問題，目前仍沒有形成清晰且完整的認知。對于這個問題的深入探索對設計粘附性能優(yōu)異、環(huán)境適應性強且環(huán)保的人工粘性材料具有關鍵意義。
　　本文通過實驗方法對貽貝足絲蛋白的粘附機理進行了系統(tǒng)性研究，研究內(nèi)容包括界面貽貝足絲蛋白的粘附機理，貽貝足絲蛋白與有機表面的粘附機理以及多巴-硼酸鹽配合物

3、在貽貝足絲蛋白粘附中的作用機制三個部分。實驗方法主要使用表面力儀(SFA)直接測量在納米尺度下貽貝足絲蛋白與表面之間的粘附能，或蛋白與蛋白之間的內(nèi)聚能，并討論環(huán)境溶液或表面的狀態(tài)對蛋白粘附特性的影響。
　　界面貽貝足絲蛋白粘附機理的研究對象選擇Mytilus edulis貽貝分泌的Mfp-5，該蛋白含有高達27 mol％的多巴含量。SFA實驗顯示，Mfp-5是目前已知粘附能力最強的貽貝足絲蛋白。在pH2.6環(huán)境中，Mfp-5與云母

4、表面之間的粘附能可達到-13.7 mJ/m2，Mfp-5與Mfp-5之間的內(nèi)聚能可達到-2.5 mJ/m2。但是，當?shù)鞍字械亩喟捅谎趸啥喟王螅鞍着c云母表面的粘附能力出現(xiàn)急劇下降甚至消失的現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，Mfp-5與云母表面之間的粘附受蛋白中多巴殘基的兒茶酚基團與云母表面的氧原子之間的雙配位基型氫鍵主導，并再次證明貽貝足絲蛋白粘附對多巴及其兒茶酚結(jié)構(gòu)的依賴性。但是，這種依賴性與多巴的含量不呈嚴格的正比關系，蛋白的粘附能力還與粘附

5、發(fā)生時蛋白的分子構(gòu)象有關。在蛋白之間的相互作用方面，Mfp-5與Mfp-3之間測得的粘附能表明Mfp-5在足絲盤中除了直接參與粘附，還是界面蛋白之間的中介。在pH5.5和pH7.5的多巴氧化環(huán)境中，通過長時間接觸兩個Mfp-5分子層均可以發(fā)現(xiàn)強力的內(nèi)聚能，該內(nèi)聚能極可能是由多巴醌介導的蛋白間的共價鍵交聯(lián)引起的。
　　貽貝足絲蛋白與有機表面粘附的研究采用兩種化學特性相異的自組裝單分子膜(SAM)作為表面基底。SFA實驗顯示，在非極性

6、疏水CH3-SAM表面上，三種貽貝足絲蛋白(Mfp-1，Mfp-3和Mfp-5)的粘附能分別在-4 mJ/m2～-9 mJ/m2之間。最強的粘附能出現(xiàn)在疏水側(cè)鏈含量最高的Mfp-3中，而不是多巴含量最高的Mfp-5中。因此，所測得的粘附能由蛋白中的疏水殘基與CH3-SAM表面上的烷基之間形成的疏水相互作用主導。而且，Mfp-3所具有的更強的粘附力還與其氨基酸序列C端非對稱地分布有三個強疏水的色氨酸有關。此外，首次發(fā)現(xiàn)了表皮蛋白Mfp-1

7、能夠橋接兩個化學特性不同的表面，體現(xiàn)了貽貝足絲蛋白粘附良好的自適應性。另一方面，在極性親水OH-SAM表面上，貽貝足絲蛋白的粘附能均明顯弱于它們與云母之間的粘附能。這種粘附弱化現(xiàn)象是因為蛋白中多巴的雙羥基基團與OH-SAM表面上的頭基不匹配，最終只能形成鍵能較弱、瞬態(tài)壽命較短的單配位基型氫鍵。該發(fā)現(xiàn)表明界面的幾何構(gòu)型對基于多巴的濕粘附有重要影響。
　　多巴-硼酸鹽配合物作用機制的研究結(jié)果顯示，在含有0.1M硼酸的pH7.5緩沖液中

8、，Mfp-5與云母表面之間存在可逆且依賴于表面接觸時間的粘附力。當環(huán)境pH降至3后，Mfp-5的粘附能力與未經(jīng)歷易氧環(huán)境的狀態(tài)相當，未發(fā)現(xiàn)明顯的衰減，說明硼酸鹽與蛋白中的多巴在中性pH環(huán)境中形成的多巴-硼酸鹽配合物有效地抑制了多巴的氧化。通過使用苯基硼酸替換硼酸進行相同的實驗，驗證了在pH7.5硼酸鹽緩沖液中測得的粘附力來自于多巴與云母表面之間的氫鍵。硼酸鹽的這種抑制多巴氧化，并實現(xiàn)蛋白在易氧環(huán)境中可逆粘附的能力是多巴與硼酸鹽之間快速、