科研进展 | 微生物代谢国家重点实验室钱志刚、夏小霞课题组合作建立蜘蛛丝蛋白高效分泌生产平台
主要完成人： 发表日期：2022-01-24 点击数：1371
近日，上海交通大学微生物代谢国家重点实验室钱志刚、夏小霞课题组合作在代谢工程与合成生物学领域知名期刊《Metabolic Engineering》发表题为“Secretory production of spider silk proteins in metabolically engineered Corynebacterium glutamicum for spinning into tough fibers”的研究论文。上海交通大学博士生金清、潘芳为共同第一作者，钱志刚副研究员、夏小霞教授为共同通讯作者。
拥有“生物钢”美誉的蜘蛛丝，不仅具有超越其他天然及人造纤维的力学性能，而且具有良好的生物相容性和可降解性，因此在航空、国防以及生物材料等领域具有重要的应用前景。然而，由于蜘蛛同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖，因此天然蛛丝来源极为有限。多年来，研究人员尝试了转基因动物、植物等多种细胞体系，试图通过异源合成蛛丝蛋白大量制备人工丝，但由于合成水平低下、成本高昂等原因难以实现产业化。而微生物宿主，因其生长快速、培养成本低廉的优势脱颖而出。
该研究首次建立了以谷氨酸棒杆菌为宿主的蛛丝蛋白高效分泌生产平台。在特定信号肽的引导下，蛛丝蛋白可通过Sec分泌途径转运到胞外，进而通过多水平的宿主代谢工程改造以及高密度发酵，实现目标蛛丝蛋白在培养基中的高水平、高丰度富集。通过自主研发的两步沉淀纯化方法，可获得纯度高达93.0%的蛛丝蛋白，纯化得率可达2.2 g/L。令人惊喜的是，微生物分泌的蛛丝蛋白具有超越天然的水溶性，使得制备超高浓度的水相纺丝原液（高达66%）成为可能，进而成功纺成韧性高达70.0 MJ m−3的人工蛋白质纤维。
图 微生物高效分泌蛛丝蛋白及人工纺丝
该研究受蜘蛛分泌蛋白成丝的启发，利用生物安全（GRAS）、分泌效率高的谷氨酸棒状杆菌生产蛛丝蛋白，不仅规避了以往细胞内长时间滞留造成的蛛丝蛋白水溶性差、回收成本高和得率低的难题，而且建立了低分子量蛛丝蛋白制备高性能人工丝的新途径，为蜘蛛丝蛋白材料的绿色可持续合成及应用提供了新机遇。
该研究获得科技部国家重点研发计划（2020YFA0907702）和国家自然科学基金（22075179和32071414）的资助。