综述：材料结合肽：来源、机制、定向进化与应用

《Biotechnology Advances》：Material-binding peptides: sources, mechanisms, directed evolution and applications

本综述系统阐述了材料结合肽（MBPs）的研究进展，涵盖其天然与工程化来源、筛选技术（如噬菌体展示、细菌展示）、结合机制（非共价相互作用）及工业应用（如酶固定化（生物催化）、生物降解、仿生矿化）。文章强调了MBPs在温和条件下实现材料特异性结合的优势，并指出其通过蛋白质工程和机器学习优化后的巨大应用潜力，为生物技术和材料科学领域提供了重要指导。

　　

Abstract

材料结合肽（Material-binding peptides, MBPs）是一类能够在温和条件（如室温、水相环境）下特异性结合到材料表面的短肽。它们在生物技术和材料科学领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着噬菌体展示（phage display）、细菌展示（bacterial display）和基于蛋白质组学的筛选技术，以及蛋白质工程和机器学习的创新，MBPs的发现与优化进程被显著加速。这些肽已成功应用于催化剂固定化（生物催化，biocatalysis）、生物降解（biodegradation）和仿生矿化（biomimetic mineralization）等领域。本综述旨在对MBPs研究的最新进展进行全面梳理，从其来源和性能增强工程策略入手，深入探讨其与材料相互作用的分子机制，并审视其新兴的工业应用，为该领域的未来发展提供路线图。

Introduction

在自然界中，蛋白质在无机材料的结合与识别中扮演着关键角色。例如，成骨细胞通过蛋白质介导的过程参与骨矿化；趋磁细菌利用特定蛋白质形成磁铁矿纳米晶体以感应地磁场；海绵调控硅酸盐的聚合以构建坚固的骨骼结构；海洋贻贝分泌粘附蛋白使其能牢固附着于海水中的各种无机基底。这些生物学实例不仅揭示了自然界中蛋白质与无机材料间高度特异性的相互作用，也为材料科学和生物技术提供了宝贵启示。

受此启发，研究人员开始探索能够模拟这种高效结合能力的短肽，即材料结合肽（MBPs）。MBPs（亦称锚定肽）是一类具有材料（特异性）结合独特能力的氨基酸序列。MBPs通常分为天然MBPs（nMBPs）和合成/工程化MBPs（eMBPs）。nMBPs是经过数百万年进化形成的，主要功能在于结合碳水化合物、蛋白质和矿物质。而eMBPs则通过噬菌体展示、细菌展示、蛋白质组学筛选、定向进化、半理性设计和机器学习等技术被鉴定或设计出来。这些工程化肽通常表现出更高的结合效率和更广泛的适用性，使其在工业应用中尤其具有前景。

MBPs能在水溶液和常温条件下结合多种材料，使其能够应用于酶固定化的多种形式，如不锈钢流动反应器、聚合物膜反应器和SiO₂介导的Pickering乳液。这激发了对其固定化潜力的广泛研究。MBPs具有简单、经济、高特异性、能够实现定向固定化等优点。此外，MBPs具有高度可操作性，可通过蛋白质工程轻松定制或利用机器学习进行理性设计。MBPs有望成为一种广泛应用酶固定化技术。在生物降解领域，MBPs通过以高特异性引导酶到达目标表面，在加速持久性聚合物的分解方面发挥关键作用，从而提高降解速率和环境可持续性。此外，MBPs通过引导无机纳米结构的成核和生长，为仿生矿化做出贡献，从而能够制造具有可控形态和功能性的材料。这些多样化的应用凸显了MBPs在材料科学和生物技术中的变革潜力，为应对工业和环境挑战的创新解决方案铺平了道路。

基于此，本综述从以下三个角度系统论述MBPs：筛选与工程策略、分子机制、工业应用。

Classification of nMBPs and inspirations for eMBPs

天然材料结合肽（nMBPs）是经过自然选择进化而来的短肽或蛋白质结构域，能够特异性识别和结合天然存在的材料，如碳水化合物、矿物质和蛋白质。对于碳水化合物，自然界已进化出专门的结合蛋白，即碳水化合物结合模块（Carbohydrate-Binding Modules, CBMs）。CBMs大小通常在30至200个氨基酸之间，具有明确的三维结构，并共享常见的结合机制，主要为疏水相互作用和氢键。这些nMBPs为设计和开发具有新型结合特性的eMBPs提供了丰富的灵感来源和起点。

Binding mechanisms of MBPs

MBPs与材料表面的相互作用主要由一系列非共价力介导，包括静电相互作用、范德华力、疏水效应、π-π相互作用和氢键。这些相互作用的协同效应使MBPs具有纳摩尔（nM）至亚微摩尔（sub-μM）范围的显著结合亲和力（解离常数K_D）。这种结合亲和力主要归因于肽在材料表面采取的特异性构象，该构象最大限度地增加了接触点并优化了相互作用能。MBPs的结合机制涉及氨基酸侧链与材料表面原子之间的复杂相互作用网络。理解这些机制对于合理设计具有增强结合性能和特异性的MBPs至关重要。

Industrial applications of MBPs

MBPs主要通过三种模式发挥作用：（i）融合表达：通过将MBPs与蛋白质融合，利用MBPs对材料的特异性结合能力实现蛋白质固定化和生物降解。（ii）点击化学：通过引入突变、蛋白质修饰或固相蛋白质合成，在MBPs的特定位点引入反应性基团。这些反应性基团可与固定化载体上相应的反应性基团形成点击反应，从而实现共价固定。（iii）生物缀合：通过基因融合或化学缀合将MBPs与功能分子（如酶、抗体或荧光团）连接，利用MBPs的结合能力将这些分子定向锚定到目标材料表面。这些模式使MBPs在催化剂固定化、生物降解和仿生矿化等工业应用中大放异彩。

Conclusions and future perspectives

材料结合肽（MBPs）作为一类短肽序列，能够特异性识别并结合各种材料表面。近年来，它们在生物技术和材料科学领域展现出巨大的应用潜力，特别是在催化剂固定化、生物降解和生物矿化等领域。使用MBPs可在常温下的水溶液中进行酶固定化，这种温和且简单的程序降低了能耗和成本，符合绿色化学原则。尽管MBPs研究取得了显著进展，但在结合亲和力、特异性、稳定性和大规模生产方面仍面临挑战。未来的研究将集中于开发更高效的高通量筛选方法、利用人工智能和机器学习进行理性设计、探索新的材料靶点，以及推动MBPs在纳米技术、环境修复和生物医学等领域的实际应用。通过整合实验和计算方法的进步，MBPs有望为可持续工业和生物技术解决方案做出重大贡献。