《Protein Expression and Purification》：Amino acid chemistry and post-translational modifications underlying marine adhesive proteins: Biochemical insights for designing underwater adhesives
编辑推荐：
水下粘附机制与仿生材料开发：综述海洋生物通过后翻译修饰的氨基酸（如DOPA、磷酸丝氨酸）实现界面结合、金属配位及交联作用，其协同机制包括红ox缓冲、静电相互作用、结构柔韧性和纤维组装。研究还探讨了仿生材料（如多酚修饰聚合物、复杂共凝聚胶体、基因重组蛋白）的开发策略，为生物医学和工业应用提供理论支持。
尹泰熙（Taehee Yoon）| 趙亨俊（Hyung Joon Cha）
韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）化学工程系，浦项市，37673
摘要
由于水对传统粘合机制的干扰，水下粘合仍然是一个复杂的挑战。诸如贻贝、沙堡虫和藤壶等海洋生物进化出了专门的粘合蛋白，这些蛋白通过功能性氨基酸基序克服了这些限制。本文综述了翻译后衍生的氨基酸基序（如3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）和磷酸丝氨酸）如何通过界面结合、金属配位和交联来驱动界面粘合和固化过程。此外，半胱氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、甘氨酸和脯氨酸等常规氨基酸有助于氧化还原缓冲、静电相互作用、结构灵活性和纤维组装，这些都是粘合结构所必需的。贻贝、沙堡虫和藤壶的粘合策略反映了多种不同的机制：贻贝利用富含DOPA的蛋白质进行氧化还原调节；沙堡虫依靠静电驱动的凝聚作用和离子介导的固化；藤壶则生成由二硫键和疏水堆积稳定的纳米结构网络。本文提出了一个统一的分子框架，将氨基酸化学、生化转化和结构整合联系起来，以解释水下粘合的原理。同时，还讨论了模仿这些自然系统的合成和重组方法，包括儿茶酚功能化聚合物、复合凝聚粘合剂和基因工程蛋白。这些仿生平台展示了将海洋粘合机制转化为适用于生物医学和工业应用的坚固、耐水材料的潜力。
引言
在水环境中实现粘合是一个重大的生化挑战。水会破坏氢键，屏蔽静电相互作用，并在大多数表面形成紧密的水合层，严重限制了传统粘合剂的性能[[1], [2], [3]]。然而，包括贻贝、沙堡虫和藤壶在内的许多海洋生物进化出了能够在海水中强效且持久粘合的蛋白质系统[4,5]。这些生物粘合剂不仅仅是简单的结构胶；它们是复杂的蛋白质网络，依赖于精确调节的氨基酸组成和翻译后修饰（PTMs），从而能够在合成胶通常失效的水下环境中发挥作用。
源自海洋生物的粘合蛋白已成为理解蛋白质如何超越其经典酶促或结构功能的重要模型。它们的序列中包含少数关键氨基酸，如3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）、磷酸丝氨酸、半胱氨酸、赖氨酸和甘氨酸，这些氨基酸协同作用以控制表面粘合和整体稳定性[4,6,7]（表1）。通过羟基化、磷酸化和氧化还原驱动的交联等生化转化，这些粘合蛋白形成了能够抵抗水合的界面相互作用，并形成了在流体动力学应力下保持完整性的网络[8,9]。这些残基所编码的化学性质启发了一代新的仿生和重组粘合剂，将生物系统的选择性与工程材料的坚固性相结合[10,11]。
尽管在仿生粘合剂设计方面取得了显著进展，但自然水下粘合背后的生化机制在不同物种和修饰类型之间的整合仍然不够完善。现有文献往往关注生物体的形态、粘合强度或合成复制[3,12,13]，而氨基酸化学和PTMs的分子基础则相对较少受到系统性的研究。理解这些分子特征如何协同工作对于将自然粘合策略转化为可编程的蛋白质基材料至关重要。
本文旨在通过研究海洋生物中实现水下粘合的氨基酸特征和PTMs来填补这一空白。我们强调了特定氨基酸残基及其生化转化如何调控界面结合、粘合网络的形成和相行为。此外，我们还探讨了这些分子知识如何指导蛋白质表达和纯化，以及开发合成和重组水下粘合剂的工程策略。通过将基础蛋白质化学与新兴的生物工程技术相结合，我们旨在提供一个统一的框架，将天然粘合蛋白与在水环境中运行的功能性材料的设计联系起来。
章节摘录
海洋粘合蛋白的分子化学：内在氨基酸功能及其翻译后激活
海洋粘合蛋白使用有限但功能复杂的氨基酸库，这些氨基酸的侧链化学性质通过PTMs被激活和多样化。这些残基共同形成了氢键、π-π和阳离子-π相互作用、金属配位以及共价键的网络，从而实现了在盐水环境中的湿润粘合和粘合固化[[14], [15], [16], [17]]。酶促过程（如羟基化、磷酸化、氧化和二硫键形成）对这些蛋白质的功能进行了调节
海洋粘合系统中的分子组装和结构整合
海洋粘合蛋白的功能性能不仅取决于氨基酸组成或PTMs，还取决于它们更高层次的分子组装，形成坚固的、层次化的结构。这些结构在不同物种中往往具有高度特异性，反映了特定生物体的环境压力和底物相互作用。下文将重点介绍经过实验验证的关键机制。模仿海洋粘合剂的合成策略
海洋生物进化出了复杂的粘合系统，这些系统能在湿润、含盐和动态的环境中发挥作用。然而，直接大量制备这些天然材料仍然具有挑战性，通常需要破坏大量的海洋生物。因此，人们开发了一系列受这些自然系统启发的合成策略，旨在提取和复制海洋粘合剂的分子特性[72,90]。这些方法涵盖了从小分子到复杂体系的范围结论与未来展望
海洋生物演化出了能够在湿润、含盐和机械动态条件下发挥作用的复杂粘合系统。这些系统不仅仅是化学性质的，而是结构上高度整合的、对环境有响应的特定组织，结合了分子相互作用。粘合功能不仅取决于特定的残基（如DOPA），还取决于这些残基在生物环境中的排列、修饰和组装方式。CRediT作者贡献声明
尹泰熙（Taehee Yoon）：撰写初稿、可视化处理、验证、数据分析、概念构思。赵亨俊（Hyung Joon Cha）：撰写和编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
致谢
本工作得到了韩国科学与信息通信技术部资助的国家研究基金会（NRF）的资助（资助编号：RS-2023-00209279）。
