一种用于表面生物传感的模块化平台：SpyCatcher介导的金和聚苯乙烯上防污多肽刷的功能化

《Biosensors and Bioelectronics》：A modular platform for surface-bound biosensing: SpyCatcher-Mediated functionalization of antifouling polypeptide brushes on gold and polystyrene

模块化B-M-E抗污刷蛋白平台结合生物正交SpyCatcher/SpyTag化学，实现表面后组装功能化，适用于高灵敏度生物传感和可重复使用智能材料界面。

　　表面分子工程在生物传感、抗污染技术和智能材料界面的发展中起着至关重要的作用。然而，目前的许多方法在控制分子取向或表面化学修饰方面存在一定的局限性。为了克服这些挑战，研究团队开发了一种模块化的蛋白质基平台，结合了两个关键要素：（1）由固相结合肽（B）、多聚化结构域（M）和抗污染多肽（E）组成的自组装B-M-E蛋白抗污染刷，以及（2）用于在组装后实现目标分子精确共价固定化的生物正交SpyCatcher/SpyTag化学反应。该平台在金和聚苯乙烯表面上展示了高效的共价连接，且无需复杂的化学修饰即可实现可控和稳定的蛋白质固定，同时具备广泛的底物兼容性。

这一研究为表面功能化提供了一种灵活的工具箱，能够减少非特异性结合，从而降低背景干扰，提高检测的灵敏度和特异性。其应用潜力涵盖从即时诊断到连续监测设备等多个领域。团队通过实验验证了这一策略的有效性，并进一步探讨了其在实际应用中的优势和前景。

在介绍部分，研究指出对固体表面分子组成和功能基团空间组织的精确控制是材料科学、生物技术和医学领域的重要课题。现有的多种表面修饰策略，如聚乙二醇（PEG）涂层、多赖氨酸介导的涂层、两性离子涂层以及基于肽的涂层，已经在抗污染应用中得到了广泛应用。这些方法提供了简便的连接程序，并在多种表面上表现出良好的抗污染性能。然而，传统方法往往缺乏生物分子所需的复杂性，难以动态地与生物系统进行交互。相比之下，基于蛋白质的涂层具有更高的灵活性和功能性，能够模仿复杂的生物界面。

团队提出，通过将SpyCatcher/SpyTag系统整合到B-M-E多肽刷中，可以实现组装后的共价、位点特异性功能化。这一设计使得在不同表面上的表面功能化成为可能，同时保持了抗污染功能。该策略不仅简化了表面处理流程，还增强了表面功能的可控性和稳定性。通过使用QCM-D和荧光成像技术，研究团队验证了该方法在金和聚苯乙烯表面的高效性和特异性。

在实验结果部分，研究团队详细描述了B-M-E-SpyCatcher多肽刷的构建和特性。他们使用SEC和CD光谱技术分析了蛋白质的二级结构，确认了其正确的折叠和三聚体组装。通过SDS-PAGE实验，团队进一步验证了SpyCatcher和SpyTag之间的共价反应。实验结果显示，当GFP-SpyTag与B-M-E-SpyCatcher结合时，出现了明显的频率变化，表明共价连接的高效性。而在与GFP-SpyCatcher混合时，没有发生显著反应，证明了该系统的特异性。

此外，研究团队还通过QCM-D实验评估了表面组装和功能化的稳定性。实验结果表明，经过GFP-SpyTag功能化的B-M-E刷在10%的人类血清（HS）中表现出高度的稳定性，且有效抑制了非特异性吸附。这一特性对于实际应用至关重要，因为它确保了在生物相关环境中，表面功能化结构不会轻易被破坏。

为了进一步验证该策略的可行性，研究团队使用荧光显微镜对微流控通道进行了成像分析。结果显示，未涂覆的聚苯乙烯通道出现了强烈的非特异性吸附信号，而涂覆了B-M-E-SpyCatcher混合物的通道则显示出较弱且均匀的荧光信号，表明功能化过程的特异性。相比之下，仅涂覆B-M-E的通道几乎没有荧光信号，进一步验证了其出色的抗污染性能。

该平台的模块化设计还允许在复杂介质中直接进行SpyCatcher/SpyTag的连接步骤，例如细胞裂解液或粗蛋白提取物。这种灵活性使得该方法特别适用于诊断生物传感领域，因为它可以减少对样本的预处理步骤，从而提高检测的便捷性和准确性。

在结论部分，研究团队强调了该平台的多功能性和应用前景。他们指出，通过将SpyCatcher系统整合到B-M-E多肽刷中，可以实现表面的位点特异性功能化，同时保持抗污染特性。这种策略不仅提高了表面功能化的可控性，还为开发下一代生物传感和诊断设备提供了坚实的基础。未来的研究将进一步量化预功能化表面的保质期及其在多次再生循环中的性能，以推动其在商业应用中的发展。

该研究展示了一种创新的蛋白质表面功能化方法，其结合了生物正交化学和模块化设计，使得表面在不同条件下都能保持稳定和功能。通过这种方式，研究团队为材料科学、生物技术和医学领域的表面工程提供了新的思路和工具。该方法不仅提高了表面功能化的效率和特异性，还拓展了其在复杂生物环境中的适用性，为未来的生物传感、诊断和治疗应用开辟了新的可能性。