第一作者：Ling Zhang

通讯作者：F. Akif Tezcan

第一单位：加州大学圣地亚哥分校（美国）

本文研究亮点：

1.发展了一种具有高度可膨胀性能的蛋白质-水凝胶复合材料。

2.复合材料具有自修复性能，实现了1+1>2的效果。

3.发现水凝胶的注入可能有助于提高蛋白质晶体结构优化。

人常言，破镜难圆，意指情侣分手了就很难再回到一起，但是也有例外。对于晶体而言，亦如是。关键在于，感情够不够深！

自然界中，有一种普遍存在的铁蛋白（ferritin）晶体。铁蛋白分子具有由24个构筑单元自组装形成的球形笼状结构。在其空腔内部，储存着以水合铁矿的形式存在的铁元素，一旦生物体有需要，铁蛋白就会及时释放出Fe²⁺。

更重要的是，铁蛋白的内部空腔常常被用作纳米反应器，制备具有优异光、磁、催化性能的矿化纳米颗粒。除此之外，它还可以对纳米颗粒进行有3D组装，实现光电、医药、传感等多种优异性能的集成。

现在，美国加州大学圣地亚哥分校的F. AkifTezcan课题组基于铁蛋白开发了一种具有高膨胀性、可自修复的铁蛋白-水凝胶复合材料。

图1.铁蛋白-水凝胶复合材料可逆膨胀与收缩原理

研究人员首先选择了一种全新形式的铁蛋白：利用钙离子将两个铁蛋白分子的氨基酸侧链桥连到一起。每个铁蛋白分子和相邻的12个分子连接，组装成数十微米长程有序的立方结构晶体。至于柔性材料，研究人员选择了高分子水凝胶，一种吸水的交联高分子网状结构。这两种材料本身都不具有良好的自修复性能，但是联姻之后实现了1+1>2的效果。

研究人员先将铁蛋白晶体浸渍于水凝胶前驱体溶液中，使前驱体充分扩散到铁蛋白晶格中填满水的空腔中。然后，将晶体转入含有聚合物引发剂的高盐溶液中，使前驱体发生聚合反应，并不至于产生过度膨胀。不到2分钟，铁蛋白晶体空腔内就形成了连续、弹性的水凝胶网络。

图2. 铁蛋白-水凝胶复合材料的结构以及可逆变化

当把这种复合材料放在水中时，几分钟内就可以膨胀达到200%，且向各个方向均匀扩展。在50分钟以内，晶体晶面形貌都保持不变，也不会将铁元素释放出来。当然，继续过度膨胀还是会导致晶体发生变形，甚至出现裂痕。

神奇的是，当研究人员将部分膨胀的铁蛋白晶体-水凝胶复合物依次转移到浓的NaCl溶液和CaCl₂中时，晶体开始脱水收缩变小，自修复到它原先的形貌和尺寸大小。

图3. 自修复行为

X-射线分析表明，这种复合的铁蛋白比普通铁蛋白具有更精确的有序结构，这可能是因为聚合物注入导致晶体质量提高。

这项研究，还有以下3点值得注意：

1）不是所有的水凝胶都适合本体系。为了实现自修复，聚合物侧链和铁电蛋白分子间必须具有大量的静电作用和氢键。

2）这中自修复的可逆性还有待进一步优化。经过一次膨胀-收缩循环后，晶体内部钙离子的部分桥联结构就会发生改变。

3）即便晶体-聚合物在受到重大膨胀和收缩时产生裂缝，这种裂缝可以迅速自修复。

总之，这项研究发明了一种具有高度可膨胀性的自修复蛋白质-聚合物复合材料，为纳米颗粒3D组装，蛋白晶体质量的提升带来了帮助！

1. Ling Zhang, F. Akif Tezcan et al. Hyperexpandable,self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks. Nature 2018, 557, 86–91.

2. François Baneyx. Protein and gelcombined to make hyperexpandable crystals. Nature 2018.