水凝胶由于其优良的物理化学性能而在诸多领域有广泛应用。在过去的20年，由于重组DNA技术和蛋白质工程技术的发展，实现了对合成蛋白质序列、折叠结构、链长和单分散性的精确控制，重组工程蛋白也成为工程水凝胶的重要组成部分。此外，它可以设计包含不同功能和结构域的蛋白质，从而更容易控制和预测最终蛋白质水凝胶的生物、物理和机械性能。尽管功能性蛋白水凝胶在工程上取得了重大进展，但基于蛋白质的形状记忆/变形水凝胶的开发在很大程度上仍亟需探索。
近日，不列颠哥伦比亚大学李宏斌课题组基于蛋白质折叠-展开机制，设计了一种蛋白质基的双层形状记忆/变形水凝胶。通过利用两个串联模块——弹性蛋白(GB1)8和(FL)8成功制备出具有双层结构的蛋白质水凝胶。两个蛋白质层均展示出独特的变性剂依赖性膨胀曲线和杨氏模量。由于这种蛋白质展开-折叠引起的溶胀变化，双分子层水凝胶可以根据变性剂浓度和蛋白层的几何形状，表现出高度可调并且可逆的双向弯曲变形。基于这些可编程和可逆弯曲行为，研究者进一步利用蛋白质双分子层结构作为铰链，实现了图案化水凝胶从一维到二维和二维到三维折叠转换。相关工作以“Engineering shape memory and morphing protein hydrogels based on protein unfolding and folding”为题发表在最新一期的《Nature Communications》上。
图1. 具有双层结构的工程蛋白基变形水凝胶
基于蛋白质折叠-展开机制设计可变形的蛋白质水凝胶
双层型水凝胶是基于两个水凝胶层由于不同的溶胀程度和机械性能而产生的不对称响应所形成的。因此，使用两种蛋白质水凝胶设计变形蛋白水凝胶是可行的，前提是它们的机械性能和膨胀性能能够被外界刺激所调节。由于蛋白质的展开-折叠机制会导致蛋白质基水凝胶的力学和膨胀性能发生显著变化，研究者认为，选择两种具有不同化学变性特性的蛋白质来构建双层蛋白质水凝胶，可以通过化学去折叠的方法来诱导其溶胀行为，进而利用这种不对称变化来设计可变形的蛋白质水凝胶。
研究者选择了两种已经过充分研究的(GB1)8和(FL)8的蛋白质水凝胶，以证明基于蛋白质折叠和展开来设计形状变形的蛋白质水凝胶的可行性。(GB1)8和(FL)8是两个串联模块弹性蛋白，分别包含小球状蛋白GB1和FL的8个串联重复序列(图1a)。这两种蛋白质都可以通过[Ru(bpy)3]2+介导的光化学诱导方法轻易地交联成蛋白质水凝胶。
(GB1)8和(FL)8水凝胶对化学变性剂具有不同的溶胀反应
研究者首先通过实验证实，GB1和FL不同的平衡展开特性会导致(GB1)8和(FL)8水凝胶的溶胀性能有所差异。图1b为两种蛋白质水凝胶在蛋白质浓度为20%时的照片。得到的(GB1)8水凝胶透明，而(FL)8水凝胶不透明。两种水凝胶在PBS中表现出不同的溶胀行为(图1c)—— (GB1)8水凝胶在PBS中的溶胀率（SR）为64 ± 5%，而(FL)8水凝胶脱水，溶胀率为−7 ± 3%。
当(GB1)8和(FL)8水凝胶从PBS转移到含GdmCl的缓冲液时，两种水凝胶的溶胀比都随着GdmCl浓度的增加而增加(从0 M到7.0 M)(图1c)，基本遵循化学变性曲线的趋势。(GB1) 8的溶胀率从PBS的64%增加到489 ± 3%。相比之下，(FL)8水凝胶的溶胀率表现出更显著的增加——从PBS的7%提高到1280 ±144% (n = 6)。
基于这些结果，研究者预测由(GB1)8和(FL)8层组成的双层水凝胶会随着GdmCl浓度的变化而出现双向弯曲行为，弯曲角度会随着变性剂浓度的增加而增大，如图1d所示。
图2. 由(GB1)8和(FL)8构建的蛋白质双分子层水凝胶材料表现出的变形行为
(GB1)8/(FL)8双分子层水凝胶在PBS和GdmCl的作用下发生形变
研究者利用3D打印制作了(GB1)8/(FL)8双层水凝胶条，厚度为1.2 mm。如图 2a 所示，双层水凝胶从模具中取出后仍保持直条状。两个蛋白质层之间的清晰边界是可见的。一旦浸入 PBS 中，双层剥离自发向 (FL)8 层侧弯曲，并在约半小时内膨胀达到平衡（图 2b）。当 GdmCl 浓度调整到 0.6 M 时，水凝胶弯曲角减小到几乎为零，表明 (GB1)8 和 (FL)8 水凝胶层的 SR 相等。当 GdmCl 浓度进一步增加时，随着双层带向 (GB1)8 层侧弯曲，水凝胶弯曲角变为负值。由于溶胀/去溶胀主要由溶剂进出蛋白质水凝胶的扩散程度控制，溶胀/去溶胀是相对缓慢的过程，在 PBS 中大约需要 1 h，在7.0 M GdmCl中需要2 h才能完成。
(GB1)8/(FL)8双层水凝胶的可调控以及可逆的变形行为
由于蛋白质折叠-展开是可逆的，研究者认为蛋白质折叠-展开引起的形状变形应该也是可逆的。如图2d所示，双层水凝胶在PBS-和GdmCl -中的响应弯曲行为表现出良好的可逆性和重复性。(GB1)8/(FL)8双层水凝胶在PBS和7.0 M GdmCl溶液中可交替浸泡7个循环。此外，在反复变形的情况下，两层蛋白之间没有明显的分层现象，说明两层蛋白具有较强的界面结合能力。
图3. 用变性交联(DC)方法制备蛋白质双分子层水凝胶条的形状变形程度增加
图4. 利用双层扭搭实现复杂水凝胶形状的形变编程
利用双层扭搭编程和控制水凝胶形状
(GB1)8/(FL)8 双分子层水凝胶条的弯曲方向和弯曲程度受双分子层几何形状和变性剂浓度的影响较大。这种良好可调性和较大的弯曲角度为实现蛋白质水凝胶的可控和可编程变形提供了可行性。如图3a所示。通过在含有不同GdmCl浓度的缓冲液中浸泡(GB1)8/DC-(FL)8双层水凝胶，可以很容易地实现不同半径的弧度(图4a)。
更复杂的水凝胶形状变形可以通过只将弯曲定位到指定位置来实现。研究者制作了一种包含一个各向异性(GB1)8/DC-(FL)8双层单元和两个各向同性(GB1)8单元的带状水凝胶。(GB1)8/DC-(FL)8双层铰链在PBS中溶胀平衡时弯曲，而各向同性(GB1)8保持线性，导致整体折叠变形(图4b)。
此外，可以从(GB1)8/DC-(FL)8和(GB1)8单元构建立方体形状的水凝胶(图4e)。双分子层单元的弯曲响应使不活跃的(GB1)8能够在自身重量的作用下站立起来，说明双分子层变形产生的力很强，可用于从二维水凝胶结构实现更复杂的三维形状变形。
小结
利用两种蛋白水凝胶在GdmCl作用下显著不同的溶胀行为，研究者开发了一种可编程变形(GB1)8/(FL)8双层水凝胶。通过使用一层接一层的制造策略，研究者能够单独设计每个蛋白质层的几何形状和性能，从而赋予(GB1)8/(FL)8双层水凝胶优异的弯曲可调性。这种可编程弯曲/变形表现出良好的可逆性和稳定性。采用(GB1)8/(FL)8双层单元作为铰链驱动水凝胶整体变形，实现了水凝胶从一维到二维再到三维的变形。
这项工作证明了利用蛋白质折叠-展开作为一种机制来设计形状记忆/变形双层蛋白质水凝胶的可行性。通过使用不同的蛋白质和外部刺激可以精确地编程形状。因此，研究者的这项工作将为水凝胶形状记忆/变形提供新的研究思路，并有助于为动态蛋白水凝胶在人工肌肉、软机器人和生物医学工程等领域的新应用提供新的创新点。