刺激響應智能材料可以對外界的刺激（諸如應力，光，電，熱等）做出應答，引起其內部分子結構重排近而發生物理相轉變。這一原理同樣適用于工程化生物大分子流體體系。最近一項來自中科院長春應用化學所劉凱研究員課題組的研究成果表明，在剪切應力移除后，發生無序-有序相轉變的蛋白流體仍持久穩定地保留了力致相變液晶結構。并且通過簡單的光學顯示技術可以檢測并收集基于不同剪切應力的雙折射圖譜，尤其該技術可用于檢測并記錄生物信息指紋圖譜，相關成果以“Genetically Engineered Supercharged Polypeptide Fluids: Fast and Persistent Self-Ordering Induced by Touch”發表在Angew. Chem.（DOI: 10.1002/anie.201803169）。
在軟物質領域，對剪切力誘導的相轉變行為的研究已經非常深入，并且這對塑料和石油工業的加工優化過程起到非常重要的指導作用。但是目前報道的流體相轉變行為在剪切力移除后不能保持，從而極大限制了它們的技術應用領域。此外，對生物大分子流體的剪切誘導相轉變行為的研究和它們在生物信息領域的應用還沒有深入發掘。
針對以上問題，中科院長春應化所劉凱研究員課題組和荷蘭格羅寧根大學/德國亞琛萊布尼茨交互材料研究所Andreas Herrmann教授團隊合作，通過分子生物學重組技術和化學修飾策略，設計并制備了一種對外界剪切力響應靈敏的新型蛋白流體材料。通過簡單的應力觸碰，該蛋白流體就隨即發生無序-有序相轉變行為，而且在剪切力移除后，有序液晶結構可以完美保持。基于所施加的剪切應力（簡單按壓、水流沖刷、手指觸碰等），該體系會產生特定的雙折射紋理圖案，因此通過簡單的偏振光譜學技術就可用于揭示諸如指紋等與生物識別相關的細節信息。
圖1：工程化蛋白流體：剪切力響應的無序-有序相轉變。剪切力移除后，液晶結構可穩定保持。
研究人員首先通過重組蛋白技術合成了超電荷的非折疊蛋白分子，然后通過靜電作用力在側鏈引入偶氮苯功能團。該蛋白復合物在水相中發生相分離，形成富含水的橙紅色流體。在施加一系列不同環境中的微弱剪切力后，該流體分子內部結構從無序到向列型取向轉變非常靈敏（圖1）。深入研究發現，側鏈修飾的偶氮苯基團對穩定蛋白流體的液晶結構起到重要的作用。大自然環境中剪切力無處不在，例如研究人員發現水的沖刷剪切也會導致該流體材料的相轉變（圖2），并且基于不同的水流速會產生不同大小的雙折射區域，因此通過量化雙折射就可以檢測外界環境中剪切力的強弱。非常有意思的是，手指尖觸碰該生物流體材料，會產生基于指紋圖案的雙折射紋理（圖2）。換言之，手指指紋的細枝末節、隆起以及線條等各類細節都能完好地通過雙折射圖譜展現并存儲起來。因此該類工程化蛋白流體材料有望用于記錄、展示生物微觀識別和圖譜信息。該研究成果自發表以來迅速得到了國際科技媒體的廣泛關注和報道，美國的ScienceDaily 、歐洲的ChemViews Magazine、Chemie.de、Analytica-world等均對該成果進行了專題報道。
圖2：工程化蛋白流體：基于不同環境的剪切力誘導的雙折射圖案
以上工作得到了中組部、國家基金委、中科院、長春應化所和稀土資源利用國家重點實驗室等機構的研究資助，中科院長春應化所為第一完成單位，荷蘭格羅寧根大學為第二完成單位，浙江大學和青島科技大學也參與了該項目研究。劉凱研究員和Andreas Herrmann教授為通訊作者，張蕾博士和馬超博士為第一作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201803169
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