在合成粘合剂开发之前,天然蛋白质通常被用作胶水。在我们开发出用原油制造粘合剂的化学合成方法之前,胶原蛋白(来自动物蹄)、酪蛋白(来自奶酪)和面筋(来自谷物)都被用作胶水。许多生物体产生专门用于粘附的蛋白质。贻贝能产生一种很强的蛋白胶,使它们能够在粗糙的潮间带粘在滑滑的岩石上。蜘蛛也能产生坚韧的丝基胶水,用来捕捉蜘蛛网中快速移动的昆虫。今天,蛋白质基胶水几乎完全被合成替代品取代,2010年全球市场规模达410亿美元。
石油的这一工业过程大大增加了全球温室气体和挥发性有机化合物(VOC)的排放量。随着世界从化石燃料转向可再生的未来,越来越多的人需要用更环保的替代品取代二氧化碳含量高的原油粘合剂。一个选择可能是回到基于蛋白质的胶水,可以使用合成生物学设计和优化性能。与合成原油粘合剂不同,这些蛋白质基胶水将是水基、无毒、可生物降解和环境非持久性的。
最近,英国曼彻斯特大学的S.Hay和J.J.Blaker报道了非共价交联牛血清白蛋白和重组蜘蛛丝蛋白在玻璃和其他透明基质上具有很高的粘附强度(分别为8.53和6.28MPa)。此外,粘合剂具有高的可见透明度,并且在几个月内没有出现明显的降解。其粘附机理主要归因于脱水诱导的蛋白质二级结构重组,导致β折叠的超分子结合形成密集的氢键网络。
图1 a) 关于i)天然蜘蛛丝蛋白(spidroon),ii)spidroon胶束结构,iii)spidroon结构后挤压,以及iv)蜘蛛丝生产设备的示意图。b) 重组蜘蛛丝胶(N-R7-C,30%w/v)在玻璃、PC和PMMA上的极限拉伸强度,pH值为5.5和8。c) 在pH值为5.5和8时,玻璃上重组蜘蛛丝粘合剂(N-R7-c,30%w/v)的可见光图像(上图)和透射曲线(下图)。
重组蜘蛛丝蛋白是通过诱使无害的大肠杆菌在正常蛋白质之外产生蜘蛛丝而制成的。细菌被喂入糖和营养素,通过发酵产生蜘蛛丝胶。这一过程类似于啤酒的发酵,但用蜘蛛丝胶代替酒精。对重组蜘蛛丝粘合剂进行剪切附着力测试,发现在pH为8时对玻璃的粘附力比比5.5的强得多(6.28 vs. 3.6 MPa)。而在粘结PC或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)时,两者之间的差异可忽略不计。
牛血清蛋白(BSA)与被测基质(特别是玻璃)也有非常强的粘附力,同时保持高的可见透明度。粘附力超过了重组蜘蛛丝(8.53 vs.6.28 MPa)。动物血在历史上被用作胶水,作为主要成分,血清白蛋白可能在其粘附性能中起着关键作用。
他们进一步研究和优化BSA粘合剂配方。首先,改变牛血清白蛋白的浓度,发现在30%w/w的浓度下,BSA浓度和极限剪应力之间确实存在线性关系,但是40%w/w,极限剪应力显著下降(图3a)。这可能是蛋白质二级结构的必要展开和重组成为一个稳定的、富含β折叠的四级构象,在高蛋白浓度下由于强烈的蛋白间相互作用而受到阻碍。
图3 a) BSA浓度对玻璃基板粘附时极限剪应力的影响。b) 在5%、15%、30%和40%w/w浓度下BSA溶液的剪切和c)频率扫描流变学分析。G’,储存模量;G”,损耗模量。
总之,蜘蛛丝胶特别擅长将玻璃粘在一起,其初始粘合强度为6.28MPa,纯BSA溶解在浓度为30%w/w的去离子水中,不添加任何添加剂、盐或pH值控制,粘附玻璃时的极限剪应力可以达到8.53MPa。而商用UVbonding专用玻璃胶在玻璃上的USS为11.9 MPa。这项新的突破为一个每年价值数十亿美元的产业提供了一系列可持续的替代品。而且BSA粘合剂在室温(通常为19±2℃)下放置9个月以上,且没有湿度控制或光照防护,可见透明度或粘合强度没有明显降低。作者也提出了未来研究的方向:
1)通过增加重组蜘蛛丝的R数来研究分子量与粘附力之间的关系,,
2)与其他已知粘合剂(包括商用粘合剂)进行相似比较,
3) 进一步探索和优化蛋白质浓度对粘附性能的影响,
4)更密切地监测粘附力随二级结构变化的变化,
5)使用超纯BSA排除杂质对粘附的影响,
6)研究其他因素的影响(如底物表面功能化,相对湿度、温度、夹持压力等)和使用其他表征技术(例如原子力显微镜)进一步阐明粘附的基本机制。
7)通过引入加速剂、条件或功能域来缩短固化时间。
该成果以题目为“Non-covalent protein-based adhesives for transparent substrates—bovine serum albumin vs. recombinant spider silk”发表在《Materials Today Bio》。
全文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006420300284?via%3Dihub#