综述：重组蛋白：理解海洋附着和推动生物材料发展的分子工具

　　本综述系统探讨了海洋无脊椎动物附着蛋白的重组表达策略及其在生物材料领域的创新应用。文章详细解析了从贻贝、藤壶、海星等生物中提取的粘附蛋白（如Mfps、Cp19k、Sfp1）的重组生产技术，重点阐述了酪氨酸残基翻译后修饰形成DOPA（3,4-二羟基-L-苯丙氨酸）的关键作用，以及通过基因融合技术构建杂合蛋白（如fp-151）提升表达效率和功能特性的突破。特别强调了重组蛋白在自组装水凝胶、药物递送系统和组织工程支架等前沿生物医学材料中的转化潜力，为开发下一代湿环境生物粘合剂提供了重要理论依据和技术路径。

　　

海洋无脊椎动物在进化过程中形成了非凡的水下附着能力，这为开发新型生物医学粘合剂提供了丰富灵感。这些天然粘附系统本质上是由蛋白质构成的，因此大多数材料研究都聚焦于蛋白质组分的结构和功能。随着组学技术的发展，越来越多的粘附蛋白被识别，但这些候选蛋白仍需通过重组DNA技术进行大量生产以深入研究其功能。

重组蛋白的生产与挑战

重组蛋白（RPs）通常被视为个体海洋粘附蛋白的模拟物，是开发生物启发式胶水的基础步骤。目前已有来自贻贝、扇贝、藤壶、管虫、海鞘、海葵和海星等生物的粘附蛋白在细菌、酵母或昆虫/哺乳动物细胞中成功表达。全长蛋白或其功能组分被生产出来，包含粘附所需的特定氨基酸序列，并通过与离子、蛋白质、多糖或合成材料结合，推动着生物启发设计的现有极限。

重组生产面临多个技术挑战，包括宿主选择、密码子偏好性、翻译后修饰（PTMs）的准确性、包涵体形成以及规模化生产等。特别是酪氨酸羟基化为DOPA的修饰，对许多海洋粘附蛋白的功能至关重要，但原核表达系统无法完成这种修饰，常需借助体外酶促反应或特殊工程菌株实现。

关键海洋粘附系统与重组蛋白

贻贝粘附机制：贻贝足丝蛋白（Mfps）是最具代表性的海洋生物粘附系统。Mfp1由串联重复的十肽和六肽构成，富含DOPA，主要形成足丝的角质层保护涂层。Mfp3、Mfp5和Mfp6则位于附着斑块，负责界面粘附，其中Mfp6还作为还原剂防止DOPA氧化失效。重组表达策略包括使用SUMO标签增强溶解度、共表达酪氨酸酶提高DOPA转化率，以及利用酪氨酸营养缺陷型菌株实现位点特异性DOPA掺入。

藤壶胶粘蛋白：藤壶通过基部腺体分泌胶粘蛋白实现永久附着。Cp19k和Cp20k是重要的界面蛋白，其中重组Cp19k能在海水中自组装成淀粉样纤维，展现出卓越的粘附强度。Cp20k则含有半胱氨酸富集重复单元，可能与碳酸钙基板的生物矿化过程相关。幼虫附着过程中产生的SIPC（沉降诱导蛋白复合物）是一种α2-巨球蛋白样糖蛋白，在昆虫细胞中成功表达并证实其几丁质结合和钙盐沉淀功能。

海星临时粘附：海星管足分泌的临时粘附蛋白（Sfps）构成了一套复杂的双腺体系统。Sfp1是一个由二硫键连接亚基构成的巨型多模块蛋白，其重组片段（rsfp1β C-term和rsfp1δ）在阳离子存在下表现出自组装和表面吸附特性。这类蛋白含有表皮生长因子样（EGFL）重复域和von Willebrand因子（vWF）样结构域，与细胞外基质蛋白具有相似性。

其他海洋生物贡献：扇贝足丝蛋白Sbp5-2与Ca²⁺配位可形成高延展性纤维；海葵TSRL蛋白能自组装成水凝胶并具有抗氧化功能；海鞘幼虫粘附蛋白APAPs在哺乳动物细胞中表达，为研究复杂翻译后修饰提供了新平台。

杂合蛋白的创新设计

通过基因融合技术将不同蛋白的功能域组合，创造了具有新颖特性的杂合蛋白。经典代表fp-151将Mfp5与Mfp1重复序列融合，在^E. ^coli中的表达量提升至40%总蛋白，远超单一组分的产量。这类设计不仅解决了产量和溶解度问题，还通过引入功能肽段（如RGD细胞粘附序列、抗菌肽LL37）赋予材料细胞亲和性或抗菌特性。与细菌卷曲蛋白CsgA的融合显著增强了淀粉样纤维的形成能力，为构建高强度材料提供了新策略。

生物材料应用与转化前景

重组海洋粘附蛋白在生物材料领域展现出巨大潜力：

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  复合凝聚系统：正电性重组蛋白（如fp-151）与负电性透明质酸通过液-液相分离形成凝聚层，可作为药物载体微胶囊或心脏修复注射剂
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  金属配位水凝胶：DOPA-Fe³⁺配位键形成的光交联纳米粒子实现pH响应性药物释放，而组氨酸-Zn²⁺配位系统则能同时保持表面粘附性和本体凝聚力
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  多功能贴片：紫外光交联的聚(甲基)丙烯酸/蛋白杂化贴片表现出可切换的水下粘附性，适用于内脏器官修复
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  靶向给药系统：基因交联的贻贝蛋白微颗粒搭载四氧化三铁纳米粒子，通过磁导向实现食管癌部位的精准给药
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  组织工程支架：重组蛋白与聚己内酯静电纺丝形成的纳米纤维支架支持细胞生长和组织再生

未来展望

尽管重组技术已取得显著进展，但真核蛋白在原核系统中的正确折叠和复杂翻译后修饰仍是重大挑战。酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞表达系统虽能部分解决这些问题，但其应用仍待拓展。未来研究应聚焦于：

1. 1.
   利用AI预测工具解密粘附蛋白相互作用网络
2. 2.
   开发新型表达系统实现复杂翻译后修饰
3. 3.
   深入开展生物相容性、免疫原性和生物降解性评价
4. 4.
   探索跨物种保守功能域（如EGFL、TSP1）的协同效应

海洋无脊椎动物提供的分子工具箱不仅有助于复制天然粘附剂，更提供了重新定义材料设计界限的独特机会。通过整合生物学洞察与工程学创新，重组海洋粘附蛋白有望引领下一代生物医学材料的变革。