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文 | 好的
編輯 | 賀緒雲
前言
月光蛋白質的重大發現標誌着生物複雜性的理解取得了重大進展，並推動了對其閉環分析的深入研究。不斷增長的月光功能種類為深入闡明蛋白質進化的結構功能方面以及設計具有新功能的蛋白質鋪平了道路。
細胞活動的卓越協調表現在宏觀分子之間的協同相互作用
目前，各種與表面層蛋白質的粘附性質有關的月光功能被更加廣泛地認識到，這些蛋白質是古菌和所有真細菌系統發育群的細胞表面結構的重要組成部分。表面層蛋白質具有自組裝成納米尺度超分子結構的顯著特性，這一特性已被用於生產智能仿生材料，形成了研究的重點領域。
精心調節的拓撲特徵，包括形狀、大小、幾何形態和表面化學性質，對於生產仿生材料至關重要。目前基於仿生表面層蛋白質的仿生脂質雙層和複合膜的發展在理解細菌細胞包裹層的功能動力學、疫苗開發、藥物研發和藥物傳遞方面具有應用前景。雖然仿生材料的發展充滿了吸引力，但也面臨著技術挑戰。
形成高度有序的細胞網絡。比德爾和塔圖姆關於一個基因編碼一個蛋白質，實現單一功能的假說已被推翻，取而代之的是設想一個多肽鏈編碼兩個或更多不同功能的現象。這個引人注目的現象增加了細胞的複雜性，並為細胞提供有益效果，被稱為「月光現象」。
月光特性並不意味着基因融合產生具有多功能性的蛋白質，也不是蛋白質剪接現象的變體或蛋白質裂解產生不同功能的碎片。包括動物、植物和原核生物在內的大多數蛋白質在生物體內執行多個功能。月光蛋白質的類型多樣性極為豐富，包括受體、轉錄因子、糖酵解和代謝酶、支架蛋白、分子伴侶和粘附蛋白。
在廣闊的生物分子領域中，蛋白質被認為是「最多功能的生物分子類」，表面層蛋白是細胞與外部環境相互作用的最初界面，具有多種功能，包括細胞間相互作用、結構框架、信號接收和理解進化關係的介體。病原細菌的表面層蛋白也表現出毒力特性，但非致病菌株的表面層蛋白的月光特性仍然具有吸引力，因為它們在各種表面和界面上自組裝，執行進化精細調節的功能。
對錶面層蛋白質的結構、遺傳和生化因素的全面理解從概念科學發展到了轉化應用，並成為生物學與化學交叉的優秀範例，可以被視為「引領新視野」。用於開發仿生平台的細菌表面層蛋白質已被廣泛應用。表面層蛋白質在不同非致病菌中的月光功能以及它們在仿生材料開發中的技術功能。
表面層（S-layer）蛋白是最豐富的細菌蛋白質，是大多數真細菌和所有古細菌的外層覆蓋物，具有單位細胞大小（3至30納米）和厚度約為10納米。由於它們位於細胞表面，這些蛋白質在提供結構框架、了解進化關係機制、作為有效傳輸和合成工具、在共生細菌中保護免受感染病原體方面發揮多重任務。
展示了古細菌和真細菌中表面層蛋白質的位置圖示。高性能分析方法的分析顯示，表面層的整體厚度為5到25納米，外表面平滑，內表面波紋，而在古細菌的S層晶格內，向內表面有柱狀突起。這些蛋白質的結晶性質呈現不同的對稱圖案，包括斜方形（p 1，p 2），六角形（p 3，p 6）或四方形（p 4），從單體到六聚體的表面層蛋白質形態單元也因此而不同。
月光蛋白質的功能機制
月光蛋白質的複雜功能在細胞定位、蛋白質的寡聚態形式、細胞內配體、輔因子、底物或其他干擾物的濃度等方面都表現出多樣性。同一蛋白質的不同部分，或者蛋白質達到不同的構象或部分重疊，是其正常功能和月光功能的原因。月光功能是通過使用上述不同方法的不同組合來實現的。
月光功能的整體影響可以在不同層次的生物組織中得到體現，從分子水平到有機體水平。圖3描繪了月光功能機制的不同層次，包括分子水平，即同一蛋白質擁有多個不同催化結構域；細胞水平，即基因產物在調控多種生物過程方面的多功能性評估；有機體水平，即通過多種表現型效應或多向性。
表面層蛋白質的粘附性月光功能包括與細胞外基質、淋巴細胞、上皮細胞、分泌的粘液、效應分子、單核細胞和其他活體細胞的結合。L. plantarum通過其GAPDH的月光功能與粘液結合，有效地附着在結腸上。
這一酶還顯示出與腸道粘液中的A和B血型抗原分子以及纖維連接蛋白的結合。L. johnsonii La1的細胞表面存在GroEL，並與細胞外基質蛋白結合。胃病原菌幽門螺桿菌的聚集是由由重組GroEL刺激的白細胞介素-8引起的。
一種陰道共生菌，L. jensenii的細胞表面丙酮酸激酶（enolase），能夠抑制淋病奈瑟菌對上皮細胞的粘附。L. crispatus ST1和其他共生菌種的細胞外蛋白組中存在的丙酮酸激酶和GAPDH已被證明能夠增強tPA介導的纖溶酶原激活。
這些細菌細胞將纖溶酶原招募到細胞表面，然後在宿主中被激活劑轉化為纖溶酶。這些纖溶酶還負責降解各種細胞外基質組分、纖維連接蛋白和纖維蛋白原，從而介導了對宿主的定植。
animalis subsp. lactis中存在的潛在纖溶酶原結合蛋白包括磷酸甘油酸酶、丙酮酸激酶、三磷酸異構酶和DnaK。丙酮酸激酶也被確認為其他雙歧桿菌物種（如Bifidobacterium bifidum、Bifidobacterium breve、Bifidobacterium longum）細胞表面的纖溶酶原結合蛋白。此外，乳酸菌屬植物乳桿菌的細胞表面丙酮酸激酶也能與層粘蛋白和膠原I結合，但與纖維連接蛋白和膠原IV無關。
還發現其他月光蛋白質，如葡萄糖-6-磷酸異構酶（GPI）、磷酸甘油酸激酶、三磷酸異構酶，能介導幾種乳酸菌物種與宿主細胞的粘附。熱休克蛋白GroEL的免疫調節活性還能刺激HT-29細胞釋放白細胞介素-8，其活性來自不同的革蘭氏陽性菌，包括L. johnsonii、Lactococcus lactis和枯草芽孢桿菌。
Lysinibacillus sphaericus CCM 2177（SbpA）的S層蛋白質被用於構建生物仿生平台。同樣，來自Geobacillus stearothermophilus PV72/p2的S層蛋白SbsB也構建了生物仿生膜。
平面仿生膜
通過在先前生成的S層蛋白質上重新結晶化，增強了這些穩定的膜的壽命。這些膜模仿了古細菌包裹的超分子組裝原理，因為古細菌由細胞質膜和緊密相關的S層構成獨特的壁組分。這些複合結構具有模仿其自然對應物的優勢，如在極端環境參數下的持久性、對機械和滲透壓應力的穩定性。
已經看到磷脂與表面層蛋白質的各個結構域或氨基酸殘基的相互作用的各種生化機制。這些包括化學修飾S層蛋白質殘基或利用交聯劑分子對S層蛋白質進行間接耦合，或通過基因工程構建融合S層蛋白質以便與脂質部分結合。根據這些非共價相互作用，形成了兩種類型的仿生膜，即平面和球形脂質單層和雙層膜。
各種非極性揮發性溶劑（如己烷、氯仿、戊烷）中溶解磷脂，然後蒸發這些溶劑，在空氣-溶液界面形成了單層。自立立方層仿生膜的建立是通過孔洞進行的，隨後將兩個充滿流體的隔室連接起來，在其中分別浸泡單個或混合磷脂溶液，形成非極性溶劑。
在形成立方層膜的孔上，必須用磷脂混合物「調整」，然後在空氣中乾燥。另一方面，「摺疊」立方層仿生界面是通過對抗兩個磷脂單層的界面形成的，位於空氣-水界面。與自立立方層膜相比，這種仿生表面所需的溶劑較少。
儘管在脂質雙層膜包覆S層蛋白質之後賦予了顯著的機械強度，但這些膜的穩定性並未延伸到更多的實際應用。已經嘗試了各種固體有機和無機支持物來增強它們的機械穩定性。
脂質的電荷和幾何形狀直接影響它們自組裝成雙層或囊泡。球形雙層更為廣泛地被稱為囊泡，直徑範圍為50納米-1微米。單球形雙層囊泡稱為單層囊泡，而多脂質雙層組成的囊泡稱為多層囊泡或脂質體。
來自各種益生菌乳桿菌物種的S層蛋白質被用於通過通過包含從脂質雙層膜中突出的笨重鏈和基團的方式，減少脂質體融合，促進表面層蛋白質與表面相互作用的空間阻礙來穩定帶正電荷的脂質體。S層蛋白質的存在導致膜界面處的電荷中和，隨後增強了雙層的排列和滲透性。
來自Lactobacillus物種的S層蛋白質，特別是來自GRAS生物體的S層蛋白質，由於其黏附性和免疫調節性能，對於塗覆脂質體以用於疫苗開發和藥物傳遞具有顯著的資質。
利用這一概念，將生物素化的抗人免疫球蛋白G（IgG）通過鏈霉親合素與生物素化的S層蛋白質包裹的脂質體結合。S層蛋白質重組蛋白與鏈霉親合素結合，具有更高的精度和拓撲取向，並在脂質體上構成增強型綠色熒光蛋白（EGFP）的序列。
乳狀脂質仿生膜
對改善藥物吸收具有多種優勢，包括增強膜滲透性、生物利用度、抑制外排轉運、調節腸細胞基礎藥物轉運和靶向淋巴系統運輸。支持體層蛋白質在乳狀脂質仿生體中的應用還包括可能在納米技術方面具有潛在應用的不同功能區域。
結論
不同生物仿生脂質雙層膜的發展增加了對古菌和真核細菌膜對應物的結構和功能關係的深入理解，並在藥物傳遞、生物傳感、生物礦化和納米生物技術等方面具有多樣化的應用。
儘管取得了這些顯著的進展，表面層蛋白質的生物仿生應用僅僅代表了受自然資源啟發的潛在應用的一部分，仍需要更加詳盡的探索，以實現其更廣泛的應用。
參考文獻
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