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  蛋白質被廣泛用作治療劑和生物催化劑，用于治療多種重大疾病和工業生產。然而，蛋白質固有的不穩定性使其在生產、制造、儲存、運輸和應用過程中容易受到多種環境脅迫而發生構象改變，從而導致蛋白質解折疊和聚集，這嚴重損害了蛋白質的穩定性和有效性，限制了其應用。這些壓力包括高溫、機械力、冷凍干燥、暴露于極端pH值以及有機溶劑中。因此，幫助蛋白質保持構象、阻止蛋白質聚集以及促進遭受環境壓力后蛋白質的重新折疊對于保持蛋白質的生物活性至關重要。

  近期，劉潤輝教授課題組報道了絲綢工業中廢棄的天然資源——絲膠蛋白，在多種環境脅迫下，均表現出優異的蛋白質穩定功能，這一獨特優勢使絲膠蛋白能夠提供單一保護劑無法實現的全面保護，其保護效果遠優于常用的各種蛋白質穩定劑，且突破了分子伴侶價格昂貴且不易獲取的局限性，具有價格低廉、容易獲得、具有優異生物相容性等優點。該研究成果以“The Cheap Silk Sericin Displaying Chaperone-like Activity to Stabilize Protein and Facilitate Protein Refolding”為題發表在CCS Chemistry上（CCS Chem. 2025, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.025.202505877）。

  受晚期胚胎發生豐富（LEA）蛋白這一類具有高親水性且無明確結構的特殊分子伴侶的啟發，作者聚焦于絲膠蛋白，一種具有高度親水性和高無規卷曲含量的天然蛋白質，來源于蠶絲外層，并且在絲綢工業中被大量廢棄。作者研究發現絲膠蛋白具有類似分子伴侶的活性，在各種環境壓力下有效地穩定蛋白質，例如高溫、機械力、酸性條件、存在有機溶劑、冷凍干燥和反復凍融。此外，他們觀察到絲膠蛋白還能促進蛋白質在受外界因素變性和解折疊后的再折疊（圖1）。

圖1. 絲膠蛋白的啟發來源與穩定蛋白質功能

  作者先以辣根過氧化物酶（HRP，pI = 8.9）為模型蛋白，研究絲膠蛋白（SS）在高溫條件下對蛋白質的保護作用。并與海藻糖和蔗糖對比。加熱后，HRP活性明顯降低，而隨著絲膠蛋白含量的增加，HRP在熱應激后的保留活性顯著提高（圖2）。并且顯著優于常用的蛋白質分子伴侶，海藻糖和蔗糖。DLS和TEM表明絲膠蛋白可有效阻止蛋白質聚集，差式掃描熒光法表明加入絲膠蛋白后，HRP的熱穩定性顯著提升。此外，將HRP熱變性后，再加入絲膠蛋白還可促進蛋白質的再折疊（圖2）。

圖2. 絲膠蛋白在高溫下可有效穩定蛋白質

  蛋白質在生產、制造、儲存、運輸和應用等整個生命周期中，除了高溫外，還會受到酸性條件、有機溶劑、機械力和冷凍干燥等其他環境壓力。這些壓力會導致蛋白質變性和失活，從而降低其生物活性，因此作者使用HRP進一步探究絲膠蛋白保護蛋白質免受這些環境壓力影響的能力（圖3）。結果表明絲膠蛋白在酸性條件、有機溶劑、機械力和冷凍干燥這些環境壓力下對蛋白質仍具有優異的穩定效果。

圖3. 絲膠蛋白在機械力、冷凍干燥、暴露于極端pH和有機溶劑環境壓力下對蛋白質具有穩定效果

  為了探究絲膠蛋白穩定蛋白質功能的普適性，作者研究發現絲膠蛋白對具有不同理化性質的蛋白質（等電點從4.3到11.0）均可顯著提升其熱穩定性。作者進一步研究表明與HRP類似，絲膠蛋白對β-半乳糖苷酶（β-Gal，pI = 4.6）和葡萄糖氧化酶（Gox，pI = 4.6）在多種環境壓力下也展現出非常優異的穩定效果。此外，研究表明絲膠蛋白還可以有效保護治療性蛋白質如抗體免受各種環境壓力的損害（圖4）。

圖4. 絲膠蛋白在各種環境壓力下對具有不同理化性質蛋白質的穩定效果

  為了探究絲膠蛋白穩定蛋白質的作用機制，PEG，一種常用的擁擠劑；和BSA，一種具有明確三級結構，且具有類似分子伴侶活性的蛋白質被用作對照。結果表明，在高溫、有機溶劑和酸性條件下，PEG的保護作用非常有限甚至沒有，表明在蛋白質濃度較低的情況下，排除體積效應在這些環境脅迫下起的保護作用非常有限。BSA在有機溶劑和酸性條件下有較好的保護效果，表明其能夠通過與蛋白質相互作用來保護蛋白質免受環境脅迫的影響。然而，BSA自身穩定性有限導致其在高溫和攪拌條件下對蛋白質幾乎沒有保護效果。絲膠蛋白作為一種高親水性且無明確結構的蛋白質，在所有的這些環境脅迫下都表現出顯著的保護效果（圖5）。基于以上結果，作者推測絲膠主要通過與蛋白質相互作用并形成保護層來保護蛋白質免受環境脅迫。

圖5. 絲膠蛋白作用機制研究

  作者進一步使用全原子分子動力學(MD) 模擬，通過分析絲膠蛋白與HRP之間的相互作用來驗證上述猜想，結果顯示絲膠蛋白鏈圍繞在 HRP 周圍形成屏障，減少了HRP的構象變化及殘基波動，從而迫使蛋白質維持其初始構象。絲膠蛋白與HRP相互作用能的分析表明絲膠蛋白與HRP之間存在范德華力和靜電相互作用（圖6）。此外，等溫滴定量熱法（ITC）為絲膠蛋白與辣根過氧化物酶（HRP）的結合提供了直接證據。

圖6. 分子動力學模擬研究絲膠蛋白作用機制

  蛋白質固有的不穩定性使其在各種環境脅迫下易發生去折疊和聚集，嚴重損害了蛋白質的穩定性和有效性，限制了其應用。絲膠蛋白突破了現有分子伴侶成本高昂、結構復雜和難以獲取等問題，以及單一保護劑無法應對多重環境脅迫的局限性，同時具備價格低廉、容易獲取、生物相容性好等諸多優點，在蛋白質藥物保存、生物制劑開發和工業酶應用等領域展現出巨大潛力和廣闊的應用前景。

  華東理工大學博士生張君宇是該論文的第一作者，華東理工大學劉潤輝教授是通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委等基金的資助。

  論文鏈接: https://www.chinesechemsoc.org/doi/epdf/10.31635/ccschem.025.202505877