[发明专利]基于S-层蛋白体外自组装的多功能生物纳米材料

说明书

技术领域

本发明涉及生物纳米材料，特别是涉及一种基于S-层蛋白体外自组装的多功能新型生物纳米材料。

背景技术

生物、化学、材料等多种学科的交叉发展，开创了纳米科学的新时代。如今，纳米材料已经广泛应用于超分子结构、装置的制造，并在多个领域发挥重要作用，但是如何获得具有精细结构、尺寸均一、功能化的纳米材料仍然是个挑战。由于经过数亿年的生物进化，大自然中普遍存在着独特的分子自组装系统，控制超分子结构的合成。受此启发，近年来研究者们开始利用分子自组装系统开发理想的生物纳米材料，以满足电子、生物、工程等行业的需求，以“bottom-up”形式自组装的S-层蛋白（Surface layer protein，S-layer protein）也因此而瞩目。

S-层蛋白是一种天然的生物纳米材料。由文献1（U.B.Sleytr,M.Sara,Trends in biotechnology1997,15,20;T.Pavkov-Keller,S.Howorka,W.Keller,Progress in molecular biology and translational science2011,103,73.）可知：S-层蛋白是广泛存在于古菌和细菌菌体表面，具有规则晶体结构的单分子层，它与位于其下方的细胞膜或者细胞壁以非共价形式连接，完整的包裹着菌体，构成了生物体与外界环境之间一道天然屏障。由文献1、文献2（M.Sara,U.B.Sleytr,Progress in biophysics and molecular biology1996,65,83;U.B.Sleytr,T.J.Beveridge,Trends in microbiology1999,7,253.）和文献3（B.Schuster,U.B.Sleytr,Methods Mol Biol2013,996,153）可知：大部分S-层蛋白由单一蛋白质或糖蛋白组成，相对分子质量为40-230kDa之间，形成P1、P2、P3、P4和P6多种结构（亚结构单元数目为1、2、3、4、6），其亚单位的排列可呈现斜形（P1、P2）、正方形（P4）和六边形（P3、P6）对称。由文献4（U.B.Sleytr,C.Huber,N.Ilk,D.Pum,B.Schuster,E.M.Egelseer,FEMS microbiology letters2007,267,131.）可知：细菌的S-层蛋白厚度通常约为5-20nm，古细菌的S-层蛋白厚度可达70nm。由文献5（M.Sara,U.B.Sleytr,Journal of bacteriology2000,182,859）可知：各形态单位的中心间距为2.5-35nm，S-层表面的孔洞直径为2-8nm，占据菌体表面的70%。由文献6（U.B.Sleytr,B.Schuster,E.M.Egelseer,D.Pum,C.M.Horejs,R.Tscheliessnig,N.Ilk,Progress in molecular biology and translational science2011,103,277.）和文献7（D.Pum,J.L.Toca-Herrera,U.B.Sleytr,International journal of molecular sciences2013,14,2484.）可知：S-层蛋白是地球上最多的生物分子之一，在具有S-层蛋白的生物体中，被用于合成S-层的蛋白通常占细胞总蛋白的10%。参见文献7，对于一个中等大小的杆状细菌而言，其完整的S-层蛋白需要5×10⁵个单体组成，在代时约为20-30min的细菌生长过程中，S-层蛋白的形成体现了完美的超分子结构组装的动力学过程。