综述：刺激响应性蛋白质水凝胶：从水凝胶力学动态调控到形状变形

　　这篇综述系统探讨了刺激响应性蛋白质水凝胶的前沿进展，重点聚焦其通过温度（ELPs）、pH（ coiled-coil）、光（LOV2）及配体（Ca2+/CaM）等刺激动态调控力学性能（如模量、溶胀）和实现形状编程（如形状记忆、变形）的分子机制与设计策略，展现了其在生物医学（如组织工程、药物递送）和软机器人等领域的巨大潜力。

　　

刺激响应性蛋白质水凝胶的构建机制

蛋白质水凝胶是一类由天然或重组蛋白质构建的生物材料，具备优异的生物相容性、可降解性和精确的分子可编程性。通过整合动态交联机制和响应性基元，这类水凝胶能对外界刺激（如温度、pH、光、配体）作出响应，发生形状、体积或力学性能的可逆或不可逆变化。

热响应机制

热响应蛋白质水凝胶主要包括两类：一类由热响应蛋白质（如类弹性蛋白（ELPs）和类节肢弹性蛋白）构建；另一类由成胶结构具温度依赖性的蛋白质（如明胶和卷曲螺旋蛋白）构建。ELPs是最典型的热响应蛋白，其特性由转变温度（T_t，类似于低临界溶解温度(LCST)）表征。低于T_t时，ELP链水合伸展；高于T_t时，脱水导致多肽链聚集（图1a）。基于卷曲螺旋相互作用的凝胶也表现出温度依赖性，其螺旋结构在高温下解链，导致凝胶-溶胶转变。

pH响应机制

pH响应蛋白质水凝胶由含可离子化氨基酸残基（如谷氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、组氨酸）的蛋白质构建，其电荷状态随pH变化，导致水凝胶可逆溶胀、退溶或发生溶胶-凝胶转变。通过在亮氨酸拉链七肽重复序列（abcdefg）的e和g位引入带电残基（如Glu和Lys），可设计出pH稳定性依赖的卷曲螺旋结构，从而实现凝胶化和粘弹性的pH控制（图1b）。

基于配体结合的刺激响应机制

蛋白质与配体（小分子、金属离子或生物大分子）的特异性可逆结合可引发其构象变化，为构建配体响应水凝胶奠定了基础。钙调蛋白（Calmodulin, CaM）是一个经典例子，其在结合Ca²⁺和随后结合小分子药物三氟拉嗪（TFP）时，从扩展构象转变为紧凑结构（图1c）。这种构象变化可转化为水凝胶宏观的溶胀/退溶和软化/硬化。

光响应蛋白质水凝胶

光响应蛋白质水凝胶的发展极大受益于光遗传学和光响应蛋白质工具包的进步。源自燕麦光敏素1的LOV2结构域是一个典型的蓝光响应蛋白模块，光吸收引发其构象变化（图1d）。其他光响应蛋白如LOVTRAP、UVR8、Cph1感光模块和LOV2-Jα等也被用于构建光响应水凝胶，实现光控的凝胶-溶胶转变或力学性能调节。

基于蛋白质折叠/去折叠的动态机制

蛋白质的折叠-去折叠转变是其固有特性，是蛋白质水凝胶独有的刺激响应机制。在生理条件下，大多数蛋白质折叠成独特的三维结构；在变性条件下，则去折叠成无规卷曲状的多肽链。去折叠可由温度、化学变性剂、力和pH等多种方式触发（图1e）。当以折叠的球状蛋白为构建单元时，折叠-去折叠转变成为调控水凝胶物理、化学和力学性能的内在机制。

蛋白质水凝胶力学性能的动态调控

刚度调控策略

基于经典橡胶弹性理论，聚合物水凝胶的杨氏模量E由交联密度N决定，N是单位体积内弹性活性链的数量。对于蛋白质水凝胶，需使用长度等效分子量而非折叠蛋白的分子量来计算。因此，动态调控蛋白质水凝胶的刚度，外部刺激需能调节交联点数量或改变弹性活性蛋白链的有效长度。

通过调节交联点数量调控刚度

交联点可分为初级（引发溶胶-凝胶转变）和次级（在初级网络形成后引入）交联点（图2a）。调控方式包括：1）调节初级交联点数量（可能导致网络降解）；2）调节次级交联点数量（不改变初级网络结构）。热响应蛋白ELP的聚集/解聚可作为初级或次级交联机制。光响应蛋白（如CarH_C和Dronpa145N）的寡聚化/解离也可用于动态调控交联点。蛋白质-配体相互作用（如CaM与phenothiazine的结合）是另一种有效方式，可引入非共价次级交联点。动态共价键（如二硫键）则可用于构建氧化还原响应水凝胶，其在还原环境下断裂导致软化，在氧化环境下形成使硬化。

通过调节弹性活性链有效长度调控刚度

通过刺激诱导蛋白质构象变化，改变相邻交联点间蛋白的末端距，可有效调节交联密度，从而调控刚度（图2b）。CaM在结合Ca²⁺和TFP时，其末端距缩短约3.5 nm，导致水凝胶体积收缩和刚度增加。腺苷酸激酶（AKe）在结合ATP时，其两个Cys间距离缩短1.7 nm，引起水凝胶体积变化。更显著的变化来自蛋白质的完全去折叠。例如，球状蛋白GB1折叠时末端距为2.6 nm，完全去折叠成无规卷曲时，其轮廓长度达20.2 nm，变化约7.8倍，导致水凝胶在变性剂中溶胀比显著增加，刚度显著降低（从~60 kPa降至~2 kPa）。相互排斥蛋白（MEP）开关通过宿主-客体结构域的折叠竞争，可在两种不同长度构象（2.6 nm和26 nm）间切换，实现水凝胶刚度的氧化还原调控。

通过网络降解软化水凝胶

外部刺激触发弹性活性网络链的断裂，破坏网络结构完整性，可实现水凝胶软化（图2c）。酶降解（如基质金属蛋白酶(MMPs)降解肽交联键）是一种生物相关机制，允许细胞响应的机械适应性。光降解（如光裂解荧光蛋白PhoCl在紫光照射下发生β-消除）则提供了一种非侵入、时空可控的软化方法（图5b）。

蛋白质基水凝胶的形状变形

刺激响应形状变形

水凝胶的形状转变主要由吸水/释水引起的溶胀/退溶驱动。为实现复杂的可编程形状变形，需引入各向异性溶胀响应。策略包括施加异质刺激和在凝胶内部构建梯度结构（图6a）。异质刺激（如空间选择性水合、光照射、磁场、电场）可在结构均一的凝胶中产生局部溶胀失配，驱动局部变形。内置梯度（包括贯穿厚度梯度(TTG)和面内梯度(IPG)）通过改变交联密度、化学组成、填料分布和取向引入内部不对称性，驱动变形。

蛋白质基水凝胶中的刺激响应形状变形

蛋白质基双层水凝胶利用两层对不同刺激的差异响应来驱动弯曲。例如，热响应ELP/聚丙烯酰胺双层凝胶、机械激活酶交联的凝血酶-水蛭素体系、离子响应的胶原基双层系统以及基于蛋白质去折叠/折叠的双层结构（图7a）均展示了可调的形状变形能力。梯度水凝胶（如丝蛋白基电场引导梯度凝胶）表现出平滑的形状转变且可重编程。通过空间控制刺激（如GO-ELP复合凝胶的近红外光触发局部光热加热）可实现远程、空间控制的驱动。

形状记忆实现可编程变形

形状记忆水凝胶（SMHs）可保持一个编程的临时形状，在外部刺激触发下恢复永久形状。蛋白质固有的由非共价相互作用稳定的结构特征可作为调节形状固定和恢复的开关片段。策略包括：热驱动的二级结构转变（如明胶/胶原的三螺旋组装/解离）、ELP的疏水相互作用、金属配位（如BSA与Cu²⁺/Zn²⁺的离子介导硬化）（图8b）、霍夫meister效应（如 kosmotropes 稳定三螺旋，chaotropes 破坏氢键）（图8c）以及蛋白质折叠/去折叠（如BSA在变性剂中去折叠，移除后重折叠）（图8a）。

结论与展望

刺激响应性蛋白质水凝胶是一个快速发展的领域，其特性可动态调控，超越了传统静态系统。这些进展使得蛋白质水凝胶能在多样条件下实现动态响应，并工程化出新颖的形状变形水凝胶，使其更接近实现生命系统的动态自适应特性。未来探索电、机械等新刺激响应机制，利用力暴露的隐秘位点，整合多重正交响应模式，并拥抱人工智能（AI）和3D打印等先进技术，将推动下一代刺激响应（包括形状变形、形状记忆）蛋白质水凝胶的发展，为生物医学、软机器人和自适应设备带来创新应用。