“天下誰人不識君”來形容粘合劑不為過！在生活中，我們經(jīng)常聽到“502膠、干膠、強力膠…”，常用的鞋子、書本等東西也時刻顯示它們神奇的力量！其實，粘合劑是使相同或不同物料連接或貼合的各種應(yīng)力材料總稱。主要有液態(tài)、膏狀和固態(tài)三種類型。常見的粘合劑都是屬于人造粘合劑，而其面臨的主要挑戰(zhàn)之一是在水、鹽和表面污染物存在下進行粘合。例如，常用“502膠”在使用前需要將被粘物的表面清洗干凈，同時存在“耐老化性能差、耐溫性能差、耐水性能不高，在潮濕環(huán)境下容易失效”等問題。
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在自然界中，海洋貽貝在潮濕條件下具有堅韌地粘附到各種表面的能力。該性能由byssus（一種蛋白質(zhì)固定物，由特殊的粘附蛋白的分泌和固化形成）調(diào)控，其中byssus中存在大量的3,4-二羥基苯丙氨酸（DOPA），是形成濕黏附的主要因素。利用表面力儀（SFA）研究發(fā)現(xiàn)，同時存在鄰苯二酚和胺時，粘附能力更高。但SFA實驗的整體性質(zhì)無法準(zhǔn)確確定分子機理，并間接證明賴氨酸（Lys）和苯丙氨酸（Phe）的粘合能力。同時，其它氨基酸、肽長度和拓撲結(jié)構(gòu)對粘附和內(nèi)聚力的影響仍然不清楚。此外，在Mfp-5中，Lys和DOPA間結(jié)合位點密度和拓撲結(jié)構(gòu)對貽貝足蛋白（Mfps）粘附以及DOPA和Lys殘基間的協(xié)同效應(yīng)影響也不清楚。
近日，美國加州大學(xué)伯克利分校的Phillip B.?Messersmith教授（通訊作者）團隊報道了他們利用單分子力譜（SMFS）研究了各種長度和組成的Mfp-5多肽類似物在有機和無機底物上的單分子粘附行為。首先測量各種長度(KY)、(KY)3和(KY)10的DOPA-Lys多肽與TiO2的分離力，其中K表示Lys、Y表示DOPA。接著，作者使用SMFS定量比較含苯丙氨酸（KF）和（KY）多肽與不同表面的相互作用強度，并且評估（KF）中陽離子-π介導(dǎo)結(jié)合的重要性。然后，作者研究了Mfp-5的合成模擬多肽的界面粘附強度。此外，通過在KY重復(fù)單元之間插入短的聚乙二醇低聚物（P8），作者還模擬了Mfps的隱藏長度，并且揭示了該隱藏長度在濕粘合中的重要作用?？傊?，該研究結(jié)果揭示了貽貝粘合劑蛋白中化學(xué)序列與拓撲結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并為仿生的濕粘合劑的合理設(shè)計提供了新思路。
圖1、DOPA和Lys在海洋貽貝中的粘附
合成多肽和SMFS測量
所有多肽段均通過Fmoc策略在固相上合成，N3-(PEG)6-COOH接頭與C末端偶聯(lián)，并通過共價連接上5 kDa PEG。在典型的力光譜實驗中，將懸臂以1000 nm s-1的恒定速度接近基底，以0.3-0.5 nN的恒定力保持在表面2 s，再以相同的速度縮回。在約2-5％的總力-伸長（F-X）曲線中，在約20-60 nm處觀察到單個斷裂力事件，表明多肽表面分離。
圖2、合成多肽的化學(xué)結(jié)構(gòu)
作者合成了(KY)、(KY)3和(KY)10多肽，并測量了它們對TiO2的粘附力。對于(KY)多肽的粘附力分布在約120 pN處呈狹窄的主峰，在200-900 pN基本沒有峰。對于(KY)3多肽，斷裂力分布在約300 pN處有一個主要峰。但是，(KY)3序列有更多的帶正電荷Lys殘基，從而增加了庫倫電荷與帶負電TiO2表面相互作用。同時，可以更有效地去除表面上的水合層，促進DOPA與基材的結(jié)合。最終使得粘合強度提高，而斷裂力約300 pN。利用SMFS測量(KY)10多肽，來研究KY單元更深層次的協(xié)同結(jié)合。發(fā)現(xiàn)平均斷裂力約250 pN，與(KY)3肽類似。對于(KY)10多肽，主鏈剛性、肽構(gòu)象以及表面粗糙度和水合作用，不能使所有(KY)單元同時與基底進行有效的相互作用。
圖3、(KY)、(KY)3和(KY)10多肽與TiO2相互作用的SMFS結(jié)果
作者設(shè)計了具有(KY)或(KF)序列的多肽，并比較了它們與聚苯乙烯（PS）和TiO2相互作用的結(jié)合強度。斷裂力分布顯示，對于(KY)二肽和PS表面的相互作用，平均分離力約90 pN。Phe與TiO2無法形成穩(wěn)定的相互作用，并且Lys和TiO2表面間的電荷相互作用也不能被該技術(shù)檢測到。此外，(KY)多肽與PS和TiO2表面的相互作用，其主要斷裂力峰值位于約100 pN，以及TiO2在200-900 pN內(nèi)存在一個較大的斷裂力分布。因此，(KY)是一種更具通用性和更強的粘合劑部分。總之，DOPA是一種用途更廣泛的粘合劑，在更大范圍的基材上提高界面粘合性更具優(yōu)勢。
圖4、(KF)和(KY)二肽與PS和TiO2相互作用的SMFS結(jié)果
作者還研究了富含Lys和DOPA的Mfp-5片段的粘附性能。選擇了具有17個氨基酸的Mfp-5蛋白的一部分，并摻入了疊氮化物功能性末端與懸臂偶聯(lián)。實驗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)F-X曲線在約20 nm處顯示一個斷裂峰。但在大約20％F-X曲線中，觀察到鋸齒狀圖案，表明多個DOPA表面相互作用的斷裂。測得的斷裂力顯示出較寬的分布，其峰值約280 pN，與(KY)3序列相似。SMFS結(jié)果表明，(KY)3序列具有與Mfp-5相似的粘合性能，但無法增強整體的相互作用強度。
圖5、17-mer Mfp-5多肽與TiO2相互作用的SMFS結(jié)果
鑒于在Mfp-5類似物的F-X曲線中觀察到多個斷裂峰的可能性遠高于(KY)3和(KY)10序列的斷裂峰，作者合成并測試了具有與Mfp-5類似物的結(jié)合位點密度的模型多肽。利用單分散低的聚乙二醇低聚物（P8）來模擬天然Mfp-5中的間隔殘基，并合成具有多個（KY-P8）重復(fù)單元的多肽。發(fā)些大多數(shù)F-X曲線顯示3-4個不同的破裂峰，輪廓長度增量約5 nm，與（KY-P8）長度相當(dāng)。多肽的斷裂力顯示出寬分布，峰位于約200 pN處。在施加力下，粘合位點幾乎同時斷裂，在摻入P8的多肽中，粘合基序順序分離，并釋放隱藏長度。
圖6、(KY-P8)5KY多肽與TiO2相互作用的SMFS結(jié)果
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https://doi.org/10.1038/s41467-020-17597-4
