熵驱动变性实现蛋白质可持续再生：基于快速凝胶-固体相变的创新策略

本研究针对传统蛋白质再生过程中有机变性剂污染严重、工艺复杂等难题，哈佛大学研究团队通过热力学分析和分子模拟，揭示了LiBr通过破坏水网络结构而非直接结合蛋白质的熵驱动变性机制。该发现指导开发出可自发凝聚的角蛋白凝胶，实现LiBr闭环回收和材料快速成型，为生物材料可持续制造提供新范式。

　　

在生物材料领域，每年有数百万吨富含角蛋白(keratin)的废弃毛发、羽毛等被填埋或焚烧，尽管这类天然蛋白具有优异的生物相容性和机械可调性。传统再生方法依赖尿素等有机变性剂，不仅破坏蛋白质完整性，更因难以分离导致环境污染。更棘手的是，现有技术只能获得无定形粉末，必须经过复杂后处理才能成型。这些瓶颈严重制约了蛋白质资源的循环利用。

哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究。通过结合热力学分析、光谱技术和原子级分子模拟，首次阐明无机盐LiBr通过熵驱动机制而非传统直接结合方式实现蛋白质变性。这种独特机制使变性后的角蛋白能自发形成稳定凝胶，遇水后迅速固化为可加工材料，同时实现LiBr溶液的闭环回收。

研究采用多尺度技术验证机制：通过等温滴定量热法(ITC)排除LiBr与蛋白质直接相互作用的可能；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱追踪二级结构变化；结合双相热力学(2PT)模型计算水分子熵变；采用元动力学模拟构建自由能景观。实验选用三种代表性蛋白：二氢叶酸还原酶(DHFR)、纤连蛋白(fibronectin)和角蛋白，系统评估不同离子对变性效果。

结果

具有快速相变能力的角蛋白凝胶自发聚集

优化提取工艺后，8M LiBr处理的角蛋白冷却后自发凝聚成300-400 mg ml^-1的高浓度凝胶，流变学测试显示其具有剪切稀化特性。与尿素提取的分散态角蛋白不同，该凝胶浸入水后数十秒内即完成固相转变，支持注塑、3D打印等多种成型工艺。温度依赖的粘度变化使挤出性能可调。

LiBr的普适性变性能力

通过浊度分析和FTIR证实，LiBr对三级结构复杂度不同的DHFR、纤连蛋白和角蛋白均展现变性能力，且效果强于LiCl和NaBr。特别在2M LiBr中，DHFR的β-折叠(1660-1690 cm^-1)先于α-螺旋(1650-1655 cm^-1)解折叠，伴随1620-1630 cm^-1处无序结构增加。纤连蛋白在7M LiBr中发生四级结构伸展（流体力学半径R_h增大）后才聚集。

间接溶质效应

ITC显示尿素和盐酸胍(GdnHCl)与蛋白质结合时释放显著热量（DHFR约-7 kcal mol^-1），而LiBr未检测到焓变，证实其通过间接机制发挥作用。分子动力学模拟发现LiBr溶液存在两类水分子：离子束缚水（低熵）和自由水（高熵），而NaBr溶液保持单一水网络。建立的解析模型表明，水网络熵罚降低(△△S^network)是主要驱动力，与FTIR测得的变性程度高度相关（Pearson系数0.9058）。

再生角蛋白的机械可调性与形状记忆效应

还原态角蛋白薄膜展现高延展性（断裂应变435±61%），氧化交联后转为弹性材料（模量1.35±0.11 MPa）。拉曼光谱显示拉伸时氧化样品中α-螺旋明显解旋为β-折叠结构，这种可逆转变赋予材料水分响应的形状记忆功能，成功应用于张力-压缩结构。

LiBr溶液的闭环回收

五轮提取实验证实回收LiBr保持稳定组成（TG-FTIR仅检测到水蒸气），角蛋白得率维持在40%左右。相比传统尿素法，该工艺可减少92%的温室气体排放。

这项研究颠覆了延续百年的蛋白质变性认知框架，证明高浓度离子对通过破坏水网络而非直接作用实现熵驱动变性。基于该机制开发的角蛋白再生技术，兼具高效（24小时完成提取）、环保（无有机废物）和多功能（支持多种加工技术）优势，为生物基材料的可持续发展提供新思路。特别值得注意的是，水网络熵在生物分子构象调控中的核心作用可能普遍存在于其他生理过程，这为理解蛋白质折叠、分子识别等基本生物学问题提供了新视角。