近日，苏州大学徐世清教授课题组在Nature Communications上发表题为“Ectopic expression of sericin enables efficient production of ancient silk with structural changes in silkworm”的研究论文，该成果发展了一种改变家蚕丝蛋白的结构和性能的靶基因策略，为创新家蚕丝蛋白材料的遗传分子设计提供了新的思路。我校2019届博士生陈学东、在站博士后王永峰和北部湾大学王玉军研究员为共同第一作者，我校徐世清教授为通讯作者，司马杨虎教授及其他五位研究生为共同作者。
家蚕丝蛋白质超长纤维是容易获得的可再生材料且性能卓越。家蚕的丝腺在5龄幼虫约1周时间内能合成体重20%-35%的几乎纯粹的丝蛋白，是已知最高效的蛋白质合成和外分泌动物器官。家蚕丝腺腔内的丝蛋白质水溶液浓度高达30％，这种维持超高水平蛋白质亚稳态的纤维加工单元，纺织工程学目前还难以超越。模拟家蚕丝腺的生物学模板，成为开发高性能、多功能蛋白质材料的一个新方向；以家蚕丝加工的水凝胶、纤维、海绵、薄膜多功能材料为平台，已经与医疗材料、电子信息和精细化工等许多其他应用的生命系统集成在一起，具有广阔的应用潜力。但相关成就均基于古老蚕丝结构进行的再加工和改造，未来相关技术和成果的进步更寄托于对古老蚕丝结构的突破。
创新蚕丝的结构和性能是行业的重大需求和难题，重编程家蚕丝腺细胞的基因组，从蚕丝生产源头改变蚕丝结构和特性的创新工作被寄予厚望。国内外的研究者一直聚焦于直接将其它生物的功能性纤维蛋白质基因或人工设计的类似基因导入家蚕基因组，在丝腺生产新型蚕丝，这一策略虽获得了巨大的成功，但融合表达的丝纤维始终难以达到供体生产的纤维性能，并且常常伴有家蚕生命力低下和丝腺发育畸形等问题。
徐世清教授课题组实施了一种新的靶基因策略，在家蚕的后部丝腺（PSG）中表达自体（MSG）的外层丝胶蛋白（下图中Sericin A），获得了丝素蛋白原纤（Fibrils）中散布水溶性非纤维丝胶蛋白微体的新型结构丝纤维，并有效解决了蛋白质合成氨基酸偏爱性差异和丝素蛋白纤维组装困难等导致的突变体丝腺畸形和产丝效率低的瓶颈。更为重要的是，特变体的蚕丝蛋白质的分子结构和性能发生了显著改变，丝素蛋白小体成员P25蛋白从Fib-H/Fib-L/P25聚合物的丝素单元中脱离，积聚在丝素表面，丝腺腔中的丝素蛋白胶体的水溶性和稳定性显著提升，蚕丝纤维的力学性能、吸湿性和解湿性得到很好改善，生物兼容性得到很好维持。该项工作为创新家蚕丝蛋白材料的遗传分子设计提供了新的思路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34128-5
（科学技术研究院、苏州医学院）
