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我校祝祥威博士在天然高分子组装、凝聚、功能化等研究方面取得最新进展
  出处:生物工程与食品学院   日期: 21-10-07 11:59  点击:

近日,我校生物工程与食品学院、发酵工程教育部重点实验室祝祥威博士与华中科技大学赵强教授的最新研究成果“A Cation-Methylene-Phenyl Sequence Encodes Programmable Poly(Ionic Liquid) Coacervation and Robust Underwater Adhesion”在工程技术类国际顶级期刊Advanced Functional Materials(Q1,IF:18.808)在线发表祝祥威博士为第一作者,赵强教授为通讯作者,参与本项目研究的还包括世界知名科学家、美国UC Santa Barbara的J. Herbert Waite教授;中科院长春应化所王大鹏教授;瑞典斯德哥尔摩大学教授、聚电解质领域高被引科学家Jiayin Yuan等。

蛋白质一级结构中的氨基酸序列决定着超分子的电荷特征,进而显著影响蛋白在细胞、生物界面等生理环境中的相变行为。近年来,从蛋白质、核酸等带电生物高分子的结构出发,探究其在生物体内的“液-液”相分离现象(即凝聚体,coacervation)已成为人们认识生命活动规律、设计智能生物材料的重要科学视角。然而,蛋白质等天然高分子的构象多变、组成复杂,如何从化学角度“解码”蛋白结构中发挥凝聚作用的关键序列特征、从源头设计实现“序列化合物”功能特性的充分开发,一直是仿生材料领域亟待突破的难题。

为解决上述科学难题,湖北工业大学祝祥威博士与华中科技大学赵强合作,以细胞非膜区间的凝聚现象为模型,参照贻贝足蛋白(mfp-1)的氨基酸序列,设计出类似的基于“阳离子-π”仿生高分子凝聚体(C-M-P序列高分子)。该凝聚体可在生理环境下发生自凝聚,并对生物界面产生强大的瞬时黏附(图1)。

图1.细胞仿生型“阳离子-π”高分子及其液液相分离(coacervation)的界面特性

图2. C-M-P序列“阳离子-π”结构作能量计算(a-b)与分子结构验证(c

通过改变阳离子聚电解质电荷的类型、密度、分布等,调控cation-π interaction的强度,以解析影响C-M-P序列高分子self-coacervation及其盐致稳定性的关键结构因子(图2)。在此基础上,对C-M-P结构进行改造,引入可在温和条件下发生聚合的乙烯基、邻苯二酚等结构,巧妙的将聚电解质的self-coacervation特性与水下固化特性相结合,制备可在生理盐水、海水、强酸、强碱等多种环境中“原位”涂覆的水下超级粘结剂,对几乎所有的亲疏水材料和生物界面(皮肤、肌肉、内脏)均表现出远大于贻贝足蛋白的粘结强度(图3)。该项研究解码了蛋白仿生类凝聚体形成过程中的电荷特征;同时,也为探寻可在生理环境中使用的水下粘结剂提供了解决方案。

图3. C-M-P序列高分子的结构改造及其在不同环境下的粘结强度

基于食品体系“多组分”、“多相态”、“多尺度”的特点,祝祥威博士以非淀粉多糖中最广泛使用的羧甲基纤维素(CMC)为研究对象,调控CMC与其他食品高分子(蛋白、多酚、壳聚糖)的相互作用,构建食品界面的多组分稳态系统,用于食品起泡、水包油乳液、营养递送等体系的设计。相关成果发表在TOP类食品期刊 “Food hydrocolloids”(Food Hydrocolloids. 2020, 105, 105758; Food Hydrocolloids. 2021, 111, 106179; Food Hydrocolloids. 2021, 110, 106135)。在提高农业资源的加工价值和综合利用效率方面,祝祥威博士与美国堪萨斯州立大学合作,通过单宁对大豆脱油饼粕中的蛋白成分进行修饰,在增强蛋白分子间氢键的同时,保留其界面特性,制备出可耐水浸泡的超级木材胶水(International Journal of Adhesion & Adhesives.2021, 108, 102858);与郑州大学合作,以养殖过程中产生的蚕丝废料为原料,利用蚕丝自身的毛细效应与水分传导作用,设计出一种高效率、可回收、自动化程度高的海水淡化装置,用以替代以合成高分子为主要原料的膜材料(Sustainable Energy Fuels.2021 ,5, 4126-4132),实现了农业资源的“巧取与妙用”。

祝祥威博士毕业于堪萨斯州立大学谷物科学和工程系,获得美国农业部全额奖学金资助,华中科技大学化学与化工学院博士后,现为生物工程与食品学院食品科学与工程系教师。主要从事生物高分子结构调控与功能化研究,其中重点研究方向为基于电荷效应的食品高分子相互作用及其功能化。近5年,发表SCI论文20余篇,其中以一作(通讯)论文10余篇(中科院1区7篇),主持湖北省自然科学基金1项,入选湖北省高层次人才项目。

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