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文 | 好的
编辑 | 贺绪云
前言
月光蛋白质的重大发现标志着生物复杂性的理解取得了重大进展，并推动了对其闭环分析的深入研究。不断增长的月光功能种类为深入阐明蛋白质进化的结构功能方面以及设计具有新功能的蛋白质铺平了道路。
细胞活动的卓越协调表现在宏观分子之间的协同相互作用
目前，各种与表面层蛋白质的粘附性质有关的月光功能被更加广泛地认识到，这些蛋白质是古菌和所有真细菌系统发育群的细胞表面结构的重要组成部分。表面层蛋白质具有自组装成纳米尺度超分子结构的显著特性，这一特性已被用于生产智能仿生材料，形成了研究的重点领域。
精心调节的拓扑特征，包括形状、大小、几何形态和表面化学性质，对于生产仿生材料至关重要。目前基于仿生表面层蛋白质的仿生脂质双层和复合膜的发展在理解细菌细胞包裹层的功能动力学、疫苗开发、药物研发和药物传递方面具有应用前景。虽然仿生材料的发展充满了吸引力，但也面临着技术挑战。
形成高度有序的细胞网络。比德尔和塔图姆关于一个基因编码一个蛋白质，实现单一功能的假说已被推翻，取而代之的是设想一个多肽链编码两个或更多不同功能的现象。这个引人注目的现象增加了细胞的复杂性，并为细胞提供有益效果，被称为“月光现象”。
月光特性并不意味着基因融合产生具有多功能性的蛋白质，也不是蛋白质剪接现象的变体或蛋白质裂解产生不同功能的碎片。包括动物、植物和原核生物在内的大多数蛋白质在生物体内执行多个功能。月光蛋白质的类型多样性极为丰富，包括受体、转录因子、糖酵解和代谢酶、支架蛋白、分子伴侣和粘附蛋白。
在广阔的生物分子领域中，蛋白质被认为是“最多功能的生物分子类”，表面层蛋白是细胞与外部环境相互作用的最初界面，具有多种功能，包括细胞间相互作用、结构框架、信号接收和理解进化关系的介体。病原细菌的表面层蛋白也表现出毒力特性，但非致病菌株的表面层蛋白的月光特性仍然具有吸引力，因为它们在各种表面和界面上自组装，执行进化精细调节的功能。
对表面层蛋白质的结构、遗传和生化因素的全面理解从概念科学发展到了转化应用，并成为生物学与化学交叉的优秀范例，可以被视为“引领新视野”。用于开发仿生平台的细菌表面层蛋白质已被广泛应用。表面层蛋白质在不同非致病菌中的月光功能以及它们在仿生材料开发中的技术功能。
表面层（S-layer）蛋白是最丰富的细菌蛋白质，是大多数真细菌和所有古细菌的外层覆盖物，具有单位细胞大小（3至30纳米）和厚度约为10纳米。由于它们位于细胞表面，这些蛋白质在提供结构框架、了解进化关系机制、作为有效传输和合成工具、在共生细菌中保护免受感染病原体方面发挥多重任务。
展示了古细菌和真细菌中表面层蛋白质的位置图示。高性能分析方法的分析显示，表面层的整体厚度为5到25纳米，外表面平滑，内表面波纹，而在古细菌的S层晶格内，向内表面有柱状突起。这些蛋白质的结晶性质呈现不同的对称图案，包括斜方形（p 1，p 2），六角形（p 3，p 6）或四方形（p 4），从单体到六聚体的表面层蛋白质形态单元也因此而不同。
月光蛋白质的功能机制
月光蛋白质的复杂功能在细胞定位、蛋白质的寡聚态形式、细胞内配体、辅因子、底物或其他干扰物的浓度等方面都表现出多样性。同一蛋白质的不同部分，或者蛋白质达到不同的构象或部分重叠，是其正常功能和月光功能的原因。月光功能是通过使用上述不同方法的不同组合来实现的。
月光功能的整体影响可以在不同层次的生物组织中得到体现，从分子水平到有机体水平。图3描绘了月光功能机制的不同层次，包括分子水平，即同一蛋白质拥有多个不同催化结构域；细胞水平，即基因产物在调控多种生物过程方面的多功能性评估；有机体水平，即通过多种表现型效应或多向性。
表面层蛋白质的粘附性月光功能包括与细胞外基质、淋巴细胞、上皮细胞、分泌的粘液、效应分子、单核细胞和其他活体细胞的结合。L. plantarum通过其GAPDH的月光功能与粘液结合，有效地附着在结肠上。
这一酶还显示出与肠道粘液中的A和B血型抗原分子以及纤维连接蛋白的结合。L. johnsonii La1的细胞表面存在GroEL，并与细胞外基质蛋白结合。胃病原菌幽门螺杆菌的聚集是由由重组GroEL刺激的白细胞介素-8引起的。
一种阴道共生菌，L. jensenii的细胞表面丙酮酸激酶（enolase），能够抑制淋病奈瑟菌对上皮细胞的粘附。L. crispatus ST1和其他共生菌种的细胞外蛋白组中存在的丙酮酸激酶和GAPDH已被证明能够增强tPA介导的纤溶酶原激活。
这些细菌细胞将纤溶酶原招募到细胞表面，然后在宿主中被激活剂转化为纤溶酶。这些纤溶酶还负责降解各种细胞外基质组分、纤维连接蛋白和纤维蛋白原，从而介导了对宿主的定植。
animalis subsp. lactis中存在的潜在纤溶酶原结合蛋白包括磷酸甘油酸酶、丙酮酸激酶、三磷酸异构酶和DnaK。丙酮酸激酶也被确认为其他双歧杆菌物种（如Bifidobacterium bifidum、Bifidobacterium breve、Bifidobacterium longum）细胞表面的纤溶酶原结合蛋白。此外，乳酸菌属植物乳杆菌的细胞表面丙酮酸激酶也能与层粘蛋白和胶原I结合，但与纤维连接蛋白和胶原IV无关。
还发现其他月光蛋白质，如葡萄糖-6-磷酸异构酶（GPI）、磷酸甘油酸激酶、三磷酸异构酶，能介导几种乳酸菌物种与宿主细胞的粘附。热休克蛋白GroEL的免疫调节活性还能刺激HT-29细胞释放白细胞介素-8，其活性来自不同的革兰氏阳性菌，包括L. johnsonii、Lactococcus lactis和枯草芽孢杆菌。
Lysinibacillus sphaericus CCM 2177（SbpA）的S层蛋白质被用于构建生物仿生平台。同样，来自Geobacillus stearothermophilus PV72/p2的S层蛋白SbsB也构建了生物仿生膜。
平面仿生膜
通过在先前生成的S层蛋白质上重新结晶化，增强了这些稳定的膜的寿命。这些膜模仿了古细菌包裹的超分子组装原理，因为古细菌由细胞质膜和紧密相关的S层构成独特的壁组分。这些复合结构具有模仿其自然对应物的优势，如在极端环境参数下的持久性、对机械和渗透压应力的稳定性。
已经看到磷脂与表面层蛋白质的各个结构域或氨基酸残基的相互作用的各种生化机制。这些包括化学修饰S层蛋白质残基或利用交联剂分子对S层蛋白质进行间接耦合，或通过基因工程构建融合S层蛋白质以便与脂质部分结合。根据这些非共价相互作用，形成了两种类型的仿生膜，即平面和球形脂质单层和双层膜。
各种非极性挥发性溶剂（如己烷、氯仿、戊烷）中溶解磷脂，然后蒸发这些溶剂，在空气-溶液界面形成了单层。自立立方层仿生膜的建立是通过孔洞进行的，随后将两个充满流体的隔室连接起来，在其中分别浸泡单个或混合磷脂溶液，形成非极性溶剂。
在形成立方层膜的孔上，必须用磷脂混合物“调整”，然后在空气中干燥。另一方面，“折叠”立方层仿生界面是通过对抗两个磷脂单层的界面形成的，位于空气-水界面。与自立立方层膜相比，这种仿生表面所需的溶剂较少。
尽管在脂质双层膜包覆S层蛋白质之后赋予了显著的机械强度，但这些膜的稳定性并未延伸到更多的实际应用。已经尝试了各种固体有机和无机支持物来增强它们的机械稳定性。
脂质的电荷和几何形状直接影响它们自组装成双层或囊泡。球形双层更为广泛地被称为囊泡，直径范围为50纳米-1微米。单球形双层囊泡称为单层囊泡，而多脂质双层组成的囊泡称为多层囊泡或脂质体。
来自各种益生菌乳杆菌物种的S层蛋白质被用于通过通过包含从脂质双层膜中突出的笨重链和基团的方式，减少脂质体融合，促进表面层蛋白质与表面相互作用的空间阻碍来稳定带正电荷的脂质体。S层蛋白质的存在导致膜界面处的电荷中和，随后增强了双层的排列和渗透性。
来自Lactobacillus物种的S层蛋白质，特别是来自GRAS生物体的S层蛋白质，由于其黏附性和免疫调节性能，对于涂覆脂质体以用于疫苗开发和药物传递具有显著的资质。
利用这一概念，将生物素化的抗人免疫球蛋白G（IgG）通过链霉亲合素与生物素化的S层蛋白质包裹的脂质体结合。S层蛋白质重组蛋白与链霉亲合素结合，具有更高的精度和拓扑取向，并在脂质体上构成增强型绿色荧光蛋白（EGFP）的序列。
乳状脂质仿生膜
对改善药物吸收具有多种优势，包括增强膜渗透性、生物利用度、抑制外排转运、调节肠细胞基础药物转运和靶向淋巴系统运输。支持体层蛋白质在乳状脂质仿生体中的应用还包括可能在纳米技术方面具有潜在应用的不同功能区域。
结论
不同生物仿生脂质双层膜的发展增加了对古菌和真核细菌膜对应物的结构和功能关系的深入理解，并在药物传递、生物传感、生物矿化和纳米生物技术等方面具有多样化的应用。
尽管取得了这些显著的进展，表面层蛋白质的生物仿生应用仅仅代表了受自然资源启发的潜在应用的一部分，仍需要更加详尽的探索，以实现其更广泛的应用。
参考文献
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